UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ENERGIAS ALTERNATIVAS ENG03371 Módulo de sistemas solares térmicos Prof. Paulo Smith Schneider PROJETO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA COM ENERGIA SOLAR PARA INSTALAÇÃO DE GRANDE PORTE Lucas de Bastiani Gustavo G. Knies Porto Alegre, outubro de 2009
RESUMO O presente trabalho traz o projeto de um sistema de aquecimento de água para banhos em um posto de combustível escolhido pelos autores, bem como sua proposta de instalação. Após definido o posto de combustíveis em estudo, realizou-se uma breve pesquisa das condições climáticas da região, então se partiu para os cálculos dos coletores a serem instalados com a ajuda do método do F-Chart. Definidas as condições de projeto fezse uma análise de retorno de investimento. De posse dos resultados e preços de equipamentos chegou-se à conclusão de que uma alternativa híbrida - solar-caldeira - teria bom desempenho e seria uma garantia de imunidade às variações de preço que a energia elétrica possa assumir nos próximos anos.
ABSTRACT The present report brings the project of a system of water heating to baths in a fuel station chose by the authors, as well as its proposal of installation. When the fuel station was defined, there happened a short research of the climatic conditions of the region, and then get the calculations of the collectors to be installed by the help of the F-Chart method. When the conditions of project were defined there was done an analysis of investment return. With the results and prices of equipments, the conclusion was that a hybrid alternative solarboiler has good performance and would be a warranty of immunity by the variations of prices that electric energy would assume in the next years.
1. INTRODUÇÃO Postos de combustíveis são um ponto nato de parada de caminhões. Em parte pela necessidade de adquirir combustível em parte pela infra-estrutura do posto em si. Em cidades com vocação para a logística como cidades portuárias e grandes centros urbanos. Os motoristas e acompanhantes utilizam os postos de combustível como ponto de apoio, além do já esperado abastecimento dos veículos. Nos postos é possível negociar fretes, acessar internet, fazer refeições, fazer paradas para repouso e higiene. O serviço de banhos é um atrativo dos postos, e pode ser um diferencial na escolha do mesmo pelo cliente. Também significa para a operação econômica (posto de combustível) uma entrada de recursos, pois é um serviço cobrado. A justificativa de trabalhar o sistema de banhos dá-se pelo fato que ele deve cumprir requisitos de qualidade (vazão, temperatura, continuidade de fornecimento) e economia de insumos energéticos, para que se atinja um serviço rentável ou se não rentável, de alta qualidade a ponto de o posto se tornar uma referência para os motoristas. 2. DESENVOLVIMENTO 2.1 Apresentação da localização do posto de combustíveis em estudo O posto de combustíveis em estudo está localizado na cidade de Itajaí, no litoral norte de Santa Catarina a 98 km de Florianópolis. Cidade portuária - com um porto de 592m de extensão, ao longo do rio Itajaí-Açu - e na presença do único píer exclusivamente turístico do País. Este porto tem a maior movimentação de produtos congelados do Brasil. O posto de combustíveis está localizado ás margens da BR-101, uma das rodovias mais movimentadas do país. Devido às novas exigências das seguradoras tais como ter instalado no veículo equipamento de localização por satélite e não trafegar durante a noite. Cerca de 90 % dos caminhoneiros precisam parar durante a noite e utilizam a infra-estrutura do lugar que param. 2.2 Dados importantes da cidade de Itajaí SC A tabela 1 a seguir expressa as temperaturas de bulbo úmido da cidade. MÊS Tbu (ºC) JANEIRO 21,00 FEVEREIRO 22,00 MARÇO 22,00 ABRIL 20,00 MAIO 15,00 JUNHO 12,00 JULHO 15,00 AGOSTO 16,00 SETEMBRO 16,00 OUTUBRO 17,00 NOVEMBRO 19,00 DEZEMBRO 21,00 Tabela 1 Temperaturas de bulbo úmido para cada mês do ano para a cidade de Itajaí.
A tabela 2, a seguir expressa as médias de temperaturas do ar para cada mês da cidade. MÊS Tbs (ºC) JANEIRO 24,00 FEVEREIRO 25,00 MARÇO 25,00 ABRIL 23,00 MAIO 18,00 JUNHO 15,00 JULHO 18,00 AGOSTO 19,00 SETEMBRO 19,00 OUTUBRO 20,00 NOVEMBRO 22,00 DEZEMBRO 24,00 Tabela 2 Temperaturas do ar para todos os meses do ano para a cidade de Itajaí. Coordenadas geográficas: - Latitude: 26º 54 28 S - Longitude: 48º 39 43 W 2.3 Apresentação do método utilizado no projeto dos coletores O método utilizado para obter-se a área necessária de coletores solares foi o método da carta f. O método é baseado na estimativa de um fator f, que avalia a energia suprida pela energia solar que os painéis coletam. f = L E L onde: L = carga térmica; E = energia auxiliar. Valores de f menores do que 1 significam que a energia solar não é necessária ao aquecimento da água e deve ser fornecida energia extra. O método leva em conta a energia recebida pelos coletores e a perda por convecção para o ambiente através de dois fatores X e Y. O fator X representa os ganhos e o fator Y representa as perdas. 2.4 Inclinação dos coletores A inclinação dos coletores foi escolhida como -38º para o melhor aproveitamento da energia fornecida pelo sol, já que a cidade de Itajaí fica ao sul da Linha do Equador.
2.5 Reservatório de água Seguindo a metodologia proposta pelo método da carta-f, temos que o reservatório deverá possuir um volume de 75 litros/m². 2.6 Custo dos coletores e do tanque Os coletores da marca Cumulus tem um custo aproximado de R$ 300,00 o metro quadrado. São excelentes coletores: certificados pelo Inmetro, feitos de cobre e com selo A da Procel. Existe também a possibilidade de se utilizar coletores da marca Aquecemax. Com um custo de R$200,00 o metro quadrado. Porém não tem a mesma qualidade dos coletores Cumulus e apesar de serem classificados pelo Inmetro não possuem o selo Procel de qualidade. E são feitos de alumínio. O tanque de armazenamento necessita ser feita por empresa especializada. Sua parede tem uma manta térmica para não haver perda de calor com o ambiente. O seu custo é de 0,80 R$/l. 2.7 Custo do sistema de aquecimento auxiliar Não é necessário que todo o aquecimento seja provido pelo sistema solar. Muitas vezes é utilizado um sistema de apoio, pois o custo para fazer um sistema completamente independente de aquecimento auxiliar o torna quase inviável. Existe a possibilidade de utilizar energia elétrica para fazer esse complemento ou um sistema a gás. Se for utilizado um sistema elétrico existe a possibilidade de manter instalados os chuveiros já existentes no posto de combustível e utilizá-los como fonte auxiliar. Ou a aquisição de um sistema conectado em série com o aquecimento solar. Dessa forma deve ser analisado o custo de cada chuveiro que está em torno de oitenta reais. No caso de se utilizar um sistema a gás, pode-se utilizar aquecedores de passagem ou pequenas caldeiras. Também existe a possibilidade de fazer dois tanques de água dos coletores, de forma a estratificá-la. Dessa forma aquece-se o tanque com água a temperatura mais elevada com um sistema a gás. Uma caldeira de 10.000 l custa cerca de R$ 25.000,00. Um tanque com sistema de resistências elétricas para o tanque de água quente custa cerca de R$15.000,00.
RESULTADOS 3.1 Resultados de área de coletores necessária. Utilizando a planilha Excel fornecida pela disciplina, chega-se aos resultados apresentados na tabela 3. Área coletor 500,00 m² Área coletor 1100 m² Área coletor 1110 m² MÊS X Y f X Y f X Y f JAN 2,66 1,37 0,84 5,86 3,01 1,00 5,92 3,04 1,00 FEV 2,90 1,52 0,90 6,37 3,35 1,00 6,43 3,38 1,00 MAR 2,75 1,56 0,93 6,06 3,44 1,00 6,12 3,47 1,00 ABR 2,27 1,30 0,83 4,99 2,85 1,00 5,03 2,88 1,00 MAI 1,58 1,13 0,78 3,49 2,49 1,00 3,52 2,52 1,00 JUN 1,33 0,87 0,64 2,92 1,92 1,00 2,95 1,94 1,00 JUL 1,58 1,11 0,77 3,49 2,43 1,00 3,52 2,45 1,00 AGO 1,68 0,97 0,68 3,71 2,13 1,00 3,74 2,15 1,00 SET 1,73 0,86 0,61 3,81 1,89 0,99 3,84 1,91 1,00 OUT 1,90 1,02 0,70 4,19 2,24 1,00 4,23 2,26 1,00 NOV 2,28 1,21 0,78 5,01 2,65 1,00 5,06 2,68 1,00 DEZ 2,66 1,30 0,81 5,86 2,87 1,00 5,92 2,89 1,00 Tabela 3 Resultados para área dos coletores solares. Portanto, a área de coletores solares necessária para suprir completamente a energia necessária para o aquecimento de água deste local é 1110 m². Valores intermediários, onde seria necessária intervenção com energia elétrica para garantir que a temperatura de água desejada fosse sempre obtida também estão apresentados na tabela 3. Segundo o item 2.5, o reservatório deverá possuir o seguinte volume Q. l Q = 75 1110m² m² Q = 83250l Para o valor intermediário, com 500 m² de área dos coletores o tamanho do reservatório seria de em torno de 37500 l. O método da carta f prevê uma redução do tamanho do reservatório para grandes sistemas. Portanto será utilizado nos cálculos um reservatório menor.
3.2 Proposta Aquecimento totalmente solar, quase sem depender de fontes alternativas: Para painéis Cumulus: Painéis solares: R$333.000,00 Tanque de armazenamento de água: R$60.000,00 Instalação: R$40.000,00 o Total da instalação: R$433.000,00 Manutenção prevista de R$15.000,00 a cada cinco anos Se for considerada um taxa de juros de 10,8% o valor presente líquido deste investimento é de R$460.000,00. Para painéis Aquecemax: Painéis solares: R$222.000,00 Tanque de armazenamento de água: R$60.000,00 Instalação: R$40.000,00 o Total da instalação: R$322.000,00 Manutenção prevista de R$30.000,00 a cada cinco anos Se for considerada um taxa de juros de 10,8% o valor presente líquido deste investimento é de R$361.000,00. Aquecimento solar, com fontes alternativas: Com a fonte alternativa a gás e painéis Cumulus: o Painéis solares: R$150.000,00 o Tanque de armazenamento de água: R$30.000,00 o Instalação: R$40.000,00 o Caldeira: R$20.000,00 Total da instalação: R$240.000,00 o Manutenção prevista: R$ 30.000,00 a cada cinco anos. o Gasto de gás por banho: R$0,30 Se for considerada um taxa de juros de 10,8% o valor presente líquido deste investimento é de R$930.000,00. Com a fonte alternativa elétrica e painéis Cumulus: o Painéis solares: R$150.000,00 o Tanque de armazenamento de água: R$30.000,00 o Instalação: R$40.000,00 o Sistema de resistências elétricas: R$14.000,00 Total da instalação: R$234.000,00 o Manutenção prevista: R$ 25.000,00 a cada cinco anos. o Gasto de gás por banho: R$0,33 Se for considerada um taxa de juros de 10,8% o valor presente líquido deste investimento é de R$982.000,00. Se for considerado um sistema completamente elétrico o custo da instalação é de R$2.450,00, e o valor presente líquido é de R$2.390.161,79.
4. CONCLUSÃO O risco do roubo de carga é uma triste realidade brasileira. Para evitar correr esse risco as seguradoras têm sido cada vez mais requisitadas pelas transportadoras. Como não há nenhuma sombra de política nacional para a segurança ou grandes projetos e investimentos no setor essa situação deve permanecer por muitos anos. O que tornará os postos de combustíveis cada vez mais movimentados por caminhoneiros procurando um pernoite. O sistema proposto solar mostrou um custo elevado, porém, quando levado em consideração a sua operação frente aos sistemas encontrados atualmente em postos de combustíveis ele se torna muito atrativo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - BECKMAN, W.A., KLEIN, S.A and DUFFIE, J.A, 1977, Solar Heating Design, John Wiley & Sons, New York; - http://www.explorevale.com.br/costadosol/itajai/index.htm - acesso: 10/10/2009; - http://www.cumulus.com.br/ - acesso: 10/10/2009;