CAPTAÇÃO DE ÁGUA PLUVIAL E AQUECIMENTO ATRAVÉS DE AQUECEDOR SOLAR

CAPTAÇÃO DE ÁGUA PLUVIAL E AQUECIMENTO ATRAVÉS DE AQUECEDOR SOLAR ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE Vol. 13, N. 17, Ano 2010 Marco Andrei Baccaglini Juliano Andrade Silva RESUMO Curso: Engenharia Elétrica FACULDADE ANHANGUERA DE CAMPINAS - UNIDADE 3 Publicado no I Congresso de Iniciação Científica Instituto Sustentar - 2010. O projeto visa a otimização do uso de água quente para consumo doméstico, usando como parâmetros de redução o volume de água potável fornecido pelo sistema de abastecimento e o consumo de energia elétrica distribuído pela concessionária local. Através de um sistema de captação de água pluvial, instalado no telhado da residência, é feito um sistema de controle em que parte da água é direcionada a um aquecedor, utilizando materiais reciclados em sua constituição. O mesmo aquece a água por meio de acumulação de calor usando a energia solar. O trabalho pode ser dividido em 3 etapas. A primeira etapa é a adaptação das calhas para conduzir a maior parte da chuva sobre o telhado para uma cisterna. Um filtro primário separa os sólidos (impurezas sempre presentes nos telhados) através de uma rede de metal. A segunda etapa consiste na construção de outro filtro chamado Biosand, que pode tornar a água captada potável e uma bomba para elevá-la até um reservatório isolado termicamente localizado sobre o telhado. A etapa final consiste em aquecer a água já captada, filtrada e purificada, a fim de prepará-la para banhos e usos domésticos. Isto é possível através de painéis de aquecedor solar preparados artesanalmente de materiais reciclados (garrafas PET e caixas de leite) e tubos de PVC. Pode-se diminuir substancialmente os gastos devidos ao aquecimento por meio de energia elétrica e ao consumo de água e ter melhorias tanto em caráter social quanto em ambiental. Palavras-Chave: captação; aquecimento; água; chuva. Anhanguera Educacional Ltda. Correspondência/Contato Alameda Maria Tereza, 2000 Valinhos, SP - CEP 13278-181 rc.ipade@unianhanguera.edu.br pic.ipade@unianhanguera.edu.br Coordenação Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE Publicação: 30 de junho de 2011 Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional 409

410 Captação de água pluvial e aquecimento através de aquecedor solar 1. INTRODUÇÃO A crescente demanda internacional pelo reaproveitamento de recursos naturais aliada ao fato, segundo Al Gore (2006), do aumento de 50% da quantidade de precipitação em algumas regiões brasileiras nos últimos anos, motivam a ação de reuso de água pluvial, inserindo-a no contexto doméstico com baixo custo e facilidades atrativas. Segundo Brunetti (2005), o conceito básico de fluidos é todos os líquidos e gases, pois não possuem forma definida e adquirem o formato do recipiente. Como a água é o elemento mais importante nesse trabalho, trata-se do fluido principal, para a qual é usada como referência. O projeto busca recuperar a água evitando que sistemas de abastecimento sejam utilizados de forma inadequada. Além do aumento da eficiência energética citada por Al Gore (2006) que, dentre alguns conselhos, enfatiza a importância de usar a eletricidade de forma racional, usa-se a fonte solar como principal meio de aquecimento, diminuindo o uso de energia elétrica convencional. Indicando-se, neste projeto, um caráter social de economia financeira devido a reduções em contas de água e energia. Esta economia é calculada em reais médios mensais, explicitando o quanto um projeto relativamente barato pode desonerar uma família de classe média. Além disso, há um ganho energético na produção de energia aliviando o sistema elétrico, isto em grande escala de aquecedores e no uso racional da água. Pode-se calcular um ganho fictício se 50% das residências assumirem o uso de aquecedores solares, isto no horário de ponta do sistema elétrico (ANEEL, 2004) e a quantidade da água potável que deixou de ser desperdiçada. 2. OBJETIVO Fazer com que cidadãos tenham acesso à água aquecida, principalmente para banhos, sem uso dos meios convencionais, usando dispositivo barato, reciclado e ecologicamente correto para esta finalidade, já que vários elementos componentes do projeto usam materiais facilmente encontrados como caixas de leite vazias e garrafas PET. Diminuir gastos com contas de consumo de água e eletricidade aumentando, assim, a eficiência do uso racional da energia elétrica; visto que os gastos com o uso do chuveiro elétrico em consumidores residenciais representa uma boa parte do orçamento doméstico. Diminuindo a demanda residencial, as concessionárias podem aumentar a

Marco Andrei Baccaglini, Juliano Andrade Silva 411 distribuição para a indústria gerando progresso ao país, visto que, segundo Creder (2007), o consumo total de energia elétrica domiciliar representa 16,6% de toda eletricidade consumida no país. Fazer também com que uma parcela das chuvas não seja diretamente descartada para o esgoto, sendo reaproveitadas para consumo desonerando o sistema de abastecimento de água potável, conforme Manosso (2009) explica. Espera-se que sirva de modelo básico a ser implementado em residências em comunidades carentes, visando ajudar na situação financeira de algumas famílias e colaborar com a sustentabilidade energética e recursos naturais. 3. METODOLOGIA O projeto necessita da construção dos componentes a ser implantado na residência. As calhas ao redor do telhado precisam estar todas com um desnível de modo a fazer com que a maior parte da chuva sobre o telhado possa ser direcionada à cisterna e aproveitada. Um sensor de chuva monitora a umidade relativa do ar. Quando ultrapassa um limite determinado de acordo com a região e estação do ano, envia um sinal elétrico para um circuito que, por sua vez, ativa um temporizador previamente regulado para 3 minutos aos verões e 5 minutos aos invernos. Na descida da calha para a cisterna, há um tubo em formato de Y invertido com a entrada de água pluvial vinda do telhado, uma saída para o destarte e a outra para a cisterna. Dois solenóides, uma em cada saída (uma normalmente-aberta e outra normalmente-fechada) controla o fluxo de água durante os primeiros minutos de chuva para o descarte e, passado esse tempo, um comando elétrico muda o estado dos solenóides, invertendo-as, dando início ao armazenamento em uma caixa de água (cisterna) dimensionada de acordo com o número de residentes e região do país, no nível do solo ou inferior podendo variar de 500 a 10.000 litros. Uma rede de metal com pequenos orifícios para a filtragem da água elimina corpos maiores que 1 cm². É instalado em série na parte vertical das tubulações do sistema de calhas, na altura de 1,5 metro para que o usuário possa limpá-lo com facilidade. A água passa por um filtro desenvolvido por uma ONG canadense (Biosandfilter.org) com o intuito de tornar a água de comunidades africanas adequada para consumo humano. A adaptação do original feita por Fewster (2004) é produzida com materiais baratos e fáceis de serem encontrados: um galão de 20 litros de água potável serve de carcaça. Dez centímetros de cascalho grande no fundo do recipiente e, sobre ela,

412 Captação de água pluvial e aquecimento através de aquecedor solar mais dez centímetros de cascalho médio e pequeno devidamente lavado. Quarenta centímetros de areia fina e lavada completam a terceira camada no interior do galão. Uma chapa difusora de plástico com furos de dois milímetros fica sobre a areia e serve para que água da entrada superior do filtro não passe rapidamente pela areia, atrapalhando o sistema de filtragem. O filtro é um excelente descontaminador que torna a chuva em água potável. Explicada por Macintyre (1997), uma bomba elevatória de recalque é responsável pela condução da água até a caixa isolada sobre o telhado. É acionada sempre que a bóia nesta caixa estiver acusando nível baixo. Essa caixa é envolta em uma manta térmica para evitar a perda de calor e recebe a água da bomba. A caixa deve ficar a meio metro acima da altura dos painéis de captação da energia solar para efetuar a condução forçada através da diferença de temperatura havendo, assim, circulação de água entre a caixa e o aquecedor. Por fim, um painel de captação da energia calorífica solar desenvolvido por Alano (2004) consiste em produzir um conjunto de caixas de leite pintadas de preto fosco para a maior absorção solar dentro de garrafas PET transparentes, sem os fundos e encaixadas em série, dispostas em colunas de garrafas envolvendo tubos PVC de ½. Cada painel usa cerca de 50 garrafas PET, 50 caixas de leite abertas, tubos de PVC de ½, junções em formato de T e cola para fixação. 4. DESENVOLVIMENTO A pesquisa tem fundamentos sociais e ambientais e, para isso, são aproveitados a água das chuvas e o calor do sol. Com isso, pode-se amenizar problemas atuais como enchentes e desperdício de água e energia elétrica. O campo da pesquisa está começando a ser estudado, mas já tem alguns trabalhos acadêmicos de várias universidades em todo país. Pode-se tratar como um assunto que será cada vez mais abordado. Para a realização do projeto segundo Alano (2004) constroem-se todos os elementos separadamente e, com as calhas já direcionadas a um só cano na vertical, instala-se o filtro primário em série com a tubulação da descida para cisterna. A partir da precipitação atmosférica, o sensor inicia uma contagem. Passado o tempo estipulado, um sistema de solenóides desvia o caminho da chuva, até então sendo descartada a fim de lavar telhado e calhas, começando a captação e armazenagem na cisterna.

Marco Andrei Baccaglini, Juliano Andrade Silva 413 Depois de captada, a água passa por um filtro chamado Biosand feito de areia e cascalho que torna a água própria para consumo humano. A bomba de recalque eleva a água filtrada e purificada para uma caixa isolada termicamente que inicia a condução forçada com os painéis de captação de energia solar. Com o auxílio de um misturador de água fria (direto da rede), torna-se possível regular a temperatura do chuveiro de acordo com o ambiente e a gosto do cliente Figura 1. Configuração e instalação do sistema completo. Legenda: 1. Calhas 2. Solenóides 3. Filtro primário 4. Saída para descarte 5. Cisterna 6. Filtro Biosand 7. Bomba de recalque 8. Caixa isolada termicamente 9. Painéis coletores 10. Água quente para uso O projeto destina-se inicialmente às residências de classe média em todo país e aos domicílios sem acesso a água encanada e energia elétrica. Com o sistema corretamente dimensionado e instalado, pode-se reduzir consideravelmente os gastos de energia elétrica e água da rede. O projeto compromete-se a diminuir o impacto ambiental causado pela impermeabilização do solo. A chuva não abastece os lençóis freáticos devido às áreas de

414 Captação de água pluvial e aquecimento através de aquecedor solar construções onde a água vai direto para as galerias de esgoto, contribuindo para aumentar as enchentes. 5. RESULTADOS Considerando uma família de quatro pessoas, conforme Creder (2007), o consumo médio de um chuveiro comum é de 4500 Watts (4,5kW). O tempo médio dos banhos diários por pessoa é de 10 minutos (0.1667 hora), portanto o consumo mensal é de 40 min. (0,66667) multiplicado por 4,5 kw resultando em 90kWH. Considerando o preço padrão do kwh de R$ 0,30874414 (CPFL), sem impostos, o gasto mensal com o chuveiro elétrico nessa residência seria de R$ 27,80. Segundo a Sabesp (2010), o consumo médio de água por banho é de 100 litros, então o consumo diário em banhos é de 400 litros/dia, portanto o consumo mensal é de 400 litros multiplicado por 30 dias totalizando 12000 litros (12m³). Considerando o custo de R$ 1,97 por metro cúbico de água (Sabesp), o gasto mensal nesse caso seria de R$ 23.64. O custo total do projeto implementado e dimensionado a uma família (4 pessoas) é, em média, de R$ 1490,00, podendo variar de acordo com a amplitude do projeto. Na Tabela 1 pode-se observar as despesas para a execução do projeto. Tabela 1. Gastos relativos à construção do projeto. Item Preço Adaptação das calhas R$ 210,00 Compra e instalação da cisterna R$ 600,00 Filtros primário e Biosand R$ 60,00 Caixa isolada superior R$ 60,00 Bomba de recalque de ½ cv R$ 110,00 Comandos elétricos e solenóides R$ 310,00 Painel coletor R$ 140,00 Total R$ 1.490,00 Com o aquecimento através de aquecedor feito de materiais recicláveis, nesse caso, dois painéis ligados em paralelo de 50 garrafas em cada e cisterna de 5000L, pode se utilizar somente de 20% dos banhos ligados a energia elétrica e 45% da água da rede, pois em períodos de inverno ou com vários dias nublados seguidos, o rendimento do aquecedor cai e é preciso usar um sistema auxiliar para aquecer a água, além da escassez da chuva esgotando a reserva na cisterna.

Marco Andrei Baccaglini, Juliano Andrade Silva 415 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com os resultados matemáticos, espera-se a continuação dos estudos e aperfeiçoamento do protótipo para poder discutir sobre possíveis soluções para aumentar o conforto de famílias brasileiras, além de consolidar conhecimentos sobre a engenharia aplicada em ações sociais. A preocupação ambiental é um importante ponto desenvolvido neste trabalho de iniciação científica. A utilização de materiais recicláveis remove grande parte do lixo depositado erroneamente em locais não adequados, diminuindo a poluição causada por materiais com um grande potencial de uso mesmo após a sua finalidade principal. A diminuição do volume de chuva descartado diretamente ao esgoto contribui para amenizar o problema de enchentes nos grandes centros urbanos. A economia é o principal fator de responsabilidade social e visa o desenvolvimento sustentável de comunidades brasileiras onde existe abundância de chuvas e de energia solar. O cálculo da economia com um projeto padrão seria de aproximadamente R$ 1490,00. A economia mensal na conta de energia elétrica é de 80% sobre os R$ 27,80 igualando-se à R$ 22,24 e a economia mensal na conta de água é de 55% sobre os R$ 23,64 totalizando R$ 13,00. Portanto, com uma economia total mensal de R$ 35,64, o tempo preciso para haver o Payback (retorno financeiro), nesse caso, é de aproximadamente 3,5 anos. Estendendo-se ao país todo e considerando-se a hipótese fictícia de 50% das residências brasileiras utilizarem o projeto, a quantidade de água e energia economizadas em determinados períodos do ano seria muito significante. Segundo o IBGE (2007), são 55.544.971 residências em todo o Brasil. Portanto, a demanda de energia elétrica para uso domiciliar poderia diminuir, considerando apenas os meses de verão (Dezembro, Janeiro e Fevereiro). Utilizando como parâmetro o número de 27.772.486 residências (metade do número total de residências brasileiras) multiplicando-se por 90kWh (gasto mensal por residência) durante 3 meses iguala-se a 7.500 GWh. Utilizando-se do mesmo período, pois são os meses que o sol está com maior intensidade e precisa-se aquecer menos a água e as chuvas são abundantes em todo território nacional, o cálculo da efetiva diminuição de gasto com água potável seria de 27.772.486 residências multiplicado por 12 m³ (consumo mensal) durante os 3 meses totalizando na ordem de 1 bilhão de m³.

416 Captação de água pluvial e aquecimento através de aquecedor solar Deve-se dar continuidade aos estudos iniciados nesse trabalho, pois trata-se de soluções bataras para possíveis desordens e o progresso gerado à sociedade é de grande valia. REFERÊNCIAS AL GORE, Albert. Uma verdade incoveniente. Barueri, SP: Manole, 2006. ALANO, José Alcino. Manual do aquecedor feito com recicláveis. Tubarão, SC, 2004. Disponível em: <http://josealcinoalano.vilabol.uol.com.br>. Acesso em: 27 nov. 2009. FEWSTER, Eric; MOL, Adriaan. The Biosand Filter. Disponível em: <http://www.biosandfilter.org>. Acesso em: 12 dez. 2009. MACINTYRE, Archibald. Bombas e instalações de bombeamento. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 1997. MANOSSO, Radamés. Captação da água da chuva. Disponível em: <http://www.radames.manosso.nom.br> Acesso em: 28 nov. 2009. IBGE. Domicílios Total. Rio de Janeiro: 2007. Disponível em: <http://www.ibge.gov.br> Acesso em: 4 jul. 2010. CREDER, Hélio. Instalações elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 2007. SABESP. Uso Racional da Água. Disponível em: <www.sabesp.com.br > Acesso em: 17 jun. 2010. BRUNETTI, Franco. Fenômenos de transporte. São Paulo: Pearson Education, 2005. ANEEL. Processos. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 01 jul. 2010.