ANÁLISE DE DEMPENHO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO: RESERVATÓRIO TÉRMICO ALTERNATIVO Danilo Rezende Bortoletto Faculdade de Engenharia Civil CEATEC danilo.rb@puccampinas.edu.br Claudia Cotrim Pezzuto Faculdade de Engenharia Civil CEATEC claudiapezzuto@puc-campinas.edu.br Resumo: A utilização da energia solar em sistemas de aquecimento de água residencial representa tanto uma economia de energia elétrica para o consumidor final, como a conscientização da importância do incentivo do uso de fontes renováveis, menos poluente e gratuita. Um exemplo prático é o aquecedor solar de baixo custo, representado tanto pelo baixo custo dos materiais constituintes como pela simplificação do seu processo de montagem e instalação. Neste sentido, este estudo integrado ao projeto FINEP/CT HIDRO (sub projeto de pesquisa Aproveitamento de Energia para o Aquecimento de Água em Edificações) apresenta como principal objetivo verificar a eficácia de utilização de um reservatório térmico alternativo em um aquecedor solar. Para tanto, foi desenvolvido um reservatório térmico alternativo com o objetivo de obter uma eficácia similar a um boiler utilizado em um aquecedor solar convencional. O reservatório foi construído a partir de uma caixa-d água de 50 litros de fibra de vidro revestida por placas de EPS de 50 mm O reservatório térmico foi incorporado a um sistema de aquecimento solar por termossifão com um coletor solar plano. O protótipo do aquecedor foi submetido a monitoramento juntamente com um aquecedor solar convencional, no qual, os dois sistemas foram conectados a um sistema automático de aquisição de dados. Os resultados demonstraram um bom desempenho do reservatório térmico alternativo. Palavras-chave: energia solar, aquecedor solar de baixo custo, reservatório térmico alternativo. Área do Conhecimento: Engenharias Engenharia Civil Construção Civil. 1. INTRODUÇÃO O crescimento populacional ocasionado ao decorrer da evolução humana traz contigo a necessidade do abastecimento energético em alta escala. As fontes convencionais comumente utilizadas para o abastecimento energético apresentam indícios de extinção, com isso necessita-se de fontes com grande potencial energético e de preferência que não agrida ao meio ambiente. Segundo o Anuário Estatístico de Energia elétrica o consumo de energia elétrica residencial e comercial do ano de 2010 seguiu crescendo com taxas superiores a 6%. O consumo de energia na rede elétrica nacional aumentou 8,1% superando 415 twh, mais da metade na região Sudeste [1]. Neste sentido, o uso de fontes alternativas como energia eólica e solar são meios para suprir as tradicionais fontes energéticas. Uma opção para o aproveitamento da energia solar é a sua utilização para aquecimento de água residencial. No Brasil, a energia solar em aquecedores é usada desde a década de 60, época em que surgiram as primeiras pesquisas na área de tecnologia solares [2]. O Sol é uma importante fonte de energia. A radiação solar a qual a Terra esta submetida é constituída das componentes direta e difusa. A componente direta incide diretamente sobre a superfície do solo, sem sofrer espalhamentos, já a componente difusa pode ser considerada como a radiação espalhada que vem de todas partes do céu. A soma destas componentes constitui a radiação solar global [3] O aproveitamento de energia solar, dentre muitos destinos, destaca-se sua transformação em calor, que é denominada de processos heliotérmicos, este que pode se dividir em aquecimento de líquidos, aquecimento de processos, aquecimentos ambientais, geração de potência, entre outros [3]. O uso de energia solar para aquecimento de água é uma das formas de aproveitamento deste meio. O coletor solar plano convencional, dispositivo para absorver a radiação solar e transferir a energia térmica ao fluído, é constituído por uma caixa externa metálica, uma placa absorvedora de alumínio, tubos de cobre, um isolante térmico e uma placa de vidro que isola o sistema do meio externo. Estes materiais otimizam o rendimento do coletor, entretanto, geram um custo final elevado, fator que dificulta a propagação deste meio de abastecimento energético à sociedade.
Com objetivo de desenvolver aquecedores solares de baixo custos, estudos são realizados, como Lopo [4], que desenvolveu um coletor solar cujas características principais são o baixo custo e fáceis processos de fabricação e montagem. Para o estudo foi utilizado latas de alumínio recicladas como aletas e tubos de PVC. No reservatório térmico alternativo foi utilizado um tambor de polietileno revestido de placas de EPS como isolante térmico. O sistema se mostrou eficiente, a temperatura mínima obtida da água aquecida do coletor foi de 36 C. Barcellos et al [5], desenvolveram um sistema por termossifão composto de uma caixa d água de 50 litros, um reservatório com isolamento em manta de lã de vidro com volume de armazenamento de 50 litros e um coletor solar de 1,0 m². Este último sendo variado em três sistemas com cobertura de vidro pontilhado, outro com cobertura de plástico e um sem cobertura. Após monitoramento, observou-se que o coletor solar com cobertura de plástico apresentou melhor eficiência comparado com a cobertura de vidro pontilhado. O coletor sem cobertura apresentou um bom rendimento, porém a comparação pode ter sido beneficiada pelo vidro usado no coletor referência. Siqueira [6] em estudo apresentou um aquecedor solar de baixo custo todo feito de materiais poliméricos. O protótipo de estudo apresenta características de fácil montagem e investimento relativamente baixo. Para a placa absorvedora foi utilizado forro de PVC rígido e placa de polipropileno. Esta ultima, após os testes apresentou um desempenho térmico melhor que o coletor com o forro de PVC. Também foi confeccionado um reservatório de baixo custo revestido de isopor, que demonstrou desempenho similar ao convencional com mínimas perdas de temperatura. Os dois experimentos mostraram coeficientes térmicos dentro dos padrões estipulados pela literatura Dentro deste contexto, a utilização de energia solar em sistemas de aquecimento de água residencial representa tanto uma economia de energia elétrica para o consumidor final, como a conscientização da importância do incentivo do uso de fontes renováveis, menos poluente e gratuita. um reservatório térmico alternativo em um aquecedor solar. 3. METODOLOGIA Para o estudo de caso foram desenvolvidos dois cavaletes de sustentação metálicos (figura 1). Os cavaletes tem por função posicionar dois sistemas de aquecimento solar nas cotas e angulação necessárias para uma circulação natural, sistema por termossifão. Em um dos cavaletes foi montado um sistema de aquecimento solar convencional, e no outro um sistema de aquecimento solar com um reservatório térmico alternativo. Os cavaletes devido o fato de estarem posicionados no hemisfério Sul foram orientados para o norte geográfico. Estudos indicam também que em sistemas de circulação natural (termossifão) o coletor deverá ser inclinado mais 10 º além do ângulo da latitude. O aumento da inclinação do coletor facilita o início do processo de termossifão e ainda tem como finalidade compensar a variação anual da declividade, fazendo com que a radiação incidente durante todo o ano seja a mais perpendicular possível [6]. Neste sentido, a placa coletora foi inclinada no ângulo de 32 º, referenciando a latitude do experimento, 22 º cidade de Campinas, acrescido do ângulo de 10º. No sistema convencional (figura 1) foi utilizado um coletor solar com dimensões 1,93m x 0,92m e com altura de 0,55mm, constituído dos seguintes materiais: caixa externa de galvalume, manta de lã de rocha, aleta de alumínio pintada de tinta epóxi preto, tubos de elevação de cobre e como cobertura vidro liso e incolor. Para armazenamento da água foi utilizado um Boiler de 200 litros, confeccionado em chapa de aço inox AISI 316 /304L. As ligações entre os componentes do sistema foram feitas com tubos e conexões para água quente. No cavalete com o sistema em experimento (figura 2) utilizou-se um coletor com as mesmas características que o sistema convencional. O boiler foi substituído por uma caixa d água revestida por placas de EPS de 50 mm, objeto de estudo. Os tubos de conexões também foram para água quente de 22 mm. 2. OBJETIVO Este estudo, integrado ao projeto FINEP/CT HIDRO no sub projeto de pesquisa Aproveitamento de Energia para o Aquecimento de Água em Edificações, foi realizado na Pontifícia Universidade Católica de Campinas (PUC-Campinas), Campus I, com o objetivo de verificar a eficácia de utilização de
Figura 1: Aquecedor Convencional Figura 2: Aquecedor com reservatório alternativo Para o monitoramento da temperatura da água foram utilizados data logger Hobo U12-006 com sonda externa TMC20-HD. As sondas para medição da temperatura da água foram localizadas na entrada e saída de água do coletor e no reservatório térmico, conforme ilustrado na figura 3. Figura 3: Localização dos sensores de temperatura da água no sistema de aquecimento solar 3.1. Detalhamento do reservatório térmico alternativo Em um sistema de aquecimento solar de água o Boiler exerce a função de armazenar a água aquecida com o mínimo de perdas. Entretanto, é um componente que encarece o custo do sistema. Neste sentido, este estudo com o objetivo de diminuir o custo final do aquecedor solar testou a utilização de uma caixa d água de fibra de vidro de 50 litros revestida de placas de EPS (isopor) com alternativa ao boiler. O isopor foi escolhido como material isolante térmico pelo fato de ser um material com custo baixo e apresentar uma condutividade térmica baixa, aproximadamente 0,030 a 0,040 W/m C [7]. Porém, o isopor exposto a ação direta de intempéries pode apresentar um grande desgaste. Para aumentar a vida útil do reservatório o isopor foi revestido de papel contact. O processo de montagem seguiram as seguintes etapas: Foram feitos quatro furos de 25mm em uma caixa d água de 50 litros (figura 6) para inserção de flanges. Um para a entrada de água fria da caixa d -água, o segundo para saída de água para o coletor, o terceiro para retorno de água do coletor e por fim, uma saída para consumo; Corte das placas de isopor de 50 mm de espessura, de acordo com cada face da caixa d -água (figura 5);
Colagem do isopor na caixa (figura 6); Adequação de uma boia invertida para entrada de água pela parte de baixo da caixa (figura 7); Revestimento externo ao isopor de papel contact e finalização (figura 8). Figura 7: Visão interna do reservatório térmico alternativo Figura 4: Caixa d água 50 litros Figura 8: Reservatório térmico alternativo em funcionamento Figura 5: Placa de EPS em confecção Figura 6: Caixa d água em processo de revestimento 4. ANÁLISE E RESULTADOS Os experimentos foram realizados no período do inverno de 2012. Para as análises foram considerados dois dias de medições, em condições estáveis e sem precipitação. Os dois aquecedores registraram a temperatura da água de entrada no coletor, saída do coletor e dentro do reservatório térmico a cada cinco minutos. Para esta analise foram considerada a média do período. O objetivo desta análise foi comprovar que o reservatório térmico isolado termicamente por placas de EPS pode armazenar a água aquecida durante o dia a uma temperatura superior a 38 C, temperatura máxima para um banho quente, durante o período noturno e o começo da manhã. A figura 9 demonstra as temperaturas médias para cada horário de medição no período de coleta no protótipo do aquecedor com reservatório térmico alternativo. No período de medição a temperatura de saída do coletor e a temperatura no reservatório se mostraram superiores à temperatura fria na entrada do coletor. A maior temperatura registrada na saída do coletor foi de 81,53 C, comparada com 69,95 C no reservatório térmico alternativo. Analisando a variação da temperatura de entrada e saída do
coletor no intervalo em que a radiação proporcionou um aumento na temperatura observa-se uma variação média no intervalo de 17 C. No período noturno, intervalo em que o reservatório é mais exigido, o mesmo demonstrou um bom comportamento, registrando a menor temperatura da água Figura 10: Temperatura média da água, protótipo convencional. Período de coleta Figura 9: Temperatura média da água, protótipo alternativo. Período de coleta Diferente do comportamento esperado, o aquecedor convencional demonstrou um comportamento com um rendimento inferior ao protótipo do aquecedor em experimento (figura 10). Enquanto o protótipo apresentou 81,53 C de maior temperatura, no aquecedor convencional registrou-se 55,98 C. O calor transferido ao sistema não foi suficiente para estabelecer um aumento da temperatura da água no boiler, no período noturno, superior a temperatura ideal para um banho quente. Este comportamento deve-se levar em conta o fato do protótipo estar conectado a um reservatório térmico de 50 litros e o aquecedor convencional a um boiler de 200 litros. Além disto, o aumento de 10 à inclinação do coletor diminuiu a distância entre coletor e boiler, ocasionando uma distância inferior a mínima necessária para a boa circulação do fluído por termossifão. A figura 11 expôe claramente o registro superior de temperaturas no reservatório térmico alternativo comparado com o boiler convencional. As temperaturas da água no reservatório alternativo no período de monitoramento foram a todo momento superiores a temperatura máxima para um banho quente ideal. Entretanto, as temperaturas da água no boiler foram, na maior parte do intervalo, inferiores tanto para a temperatura do banho, como quando comparada com a temperatura do reservatório alternativo. Ressalta-se que este comportamento inesperado do boiler, provavelmente, foi devido ao fato do protótipo estar conectado a um reservatório térmico de 50 litros e o aquecedor convencional a um boiler de 200 litros, como descrito anteriormente. Provavelmente em outras condições, o boiler iria cumprir seu desempenho normalmente. De qualquer forma, verifica-se uma semelhança na curva diária de temperatura da água entre o reservatório alternativo e o boiler, mesmo apresentando temperaturas distintas.
Figura 11: Temperatura média da água, protótipo convencional e alternativo Período de coleta 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Infere-se, a partir das análises, que o reservatório alternativo apresentou um bom desempenho e uma possibilidade de alternativa em substituiçao ao boiler para diminuição do custo final. Ressalta-se que o baixo desempenho do boiler convencional apresentado nas análises deve-se ao fato de algumas variáveis específicas desta pesquisa. A confecção do reservatório alternativo obteve um custo final significativamente inferior ao boiler, podendo variar de acordo com as marcas e locais da aquisição dos materiais, além disto, o reservatório pode ser feito manualmente. Conclui-se ainda que para aumentar a vida útil do reservatório é ideal o revestimento com materiais que suporte a ação de intempéries. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao PIBITI/CNPq pela bolsa de Iniciação Tecnológica e á FINEP pelo financiamento desta pesquisa, através do projeto FINEP/CT HIDRO. REFERÊNCIAS [1] EPE.(2011) Anuário Estatístico de energia elétrica. Disponível em: < http://www.epe.gov.br/anuarioestatisticodeenergi aeletrica/forms/anurio.aspx>. Acesso em: 04 abril 2012. [2] ANEEL (2006) Agência nacional de energia elétrica. Site: http://www.aneel.gov.br.. [3] Coimbra, N., Azambuja, C., Dalmas, T., Coelho, L. (2008) Eficiência Térmica de Coletor Solar de Baixo Custo. 14p. Relatório de Trabalho de Conclusão,disciplina de Medições Térmicas ENG03108 Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. [4] Lopo, Alexandre Boleira.(2010) Análise do desempenho térmico de um sistema de aquecimento solar de baixo custo. 82 f. Tese (Mestrado) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal. [5] Barcellos, A. L. JR., Medeiros, F. H. C., Notomi, E. H., Mendes, N., Moura, L. M. (2003) Analise Experimental de coletores Solares Planos para Aquecimento de Água em edificações. In: ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO DO AMBIENTE CONSTRUÍDO- ENCAC, Curitiba- PR. Encontro Nacional de Conforto Ambiente Construído,p. 952-959. [6] Siqueira, D. A. (2009) Estudo de desempenho do aquecedor solar de baixo custo. 125 f. Tese (Mestrado) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. [7] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (2007) ABNT NBR 11752: Materiais celulares de poliestireno para o isolamento térmico na construção civil e refrigeração industrial.