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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
UNIDADE ACADÊMICA CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Isolda Cíntia Ferreira de Sáles
ANÁLISE DA SUBSTITUIÇÃO DO CHUVEIRO ELÉTRICO POR
AQUECEDOR SOLAR: UMA CONTRIBUIÇÃO AO SETOR ELÉTRICO
NA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA.
Maceió
2008
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II
Isolda Cíntia Ferreira de Sáles
ANÁLISE DA SUBSTITUIÇÃO DO CHUVEIRO ELÉTRICO POR
AQUECEDOR SOLAR: UMA CONTRIBUIÇÃO AO SETOR ELÉTRICO
NA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA.
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Curso de Pós-Graduação em Engenharia
Química da Universidade Federal de
Alagoas como requisito parcial para a
obtenção do Título de Mestre em
Engenharia Química.
Área de concentração: Desenvolvimento e
Pesquisa de Processos Regionais
Orientadora: Dra. Karla Miranda Barcellos
MACEIÓ
2008
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III
FICHA CATALOGRÁFICA
Sales, Isolda Cíntia Ferreira de
Análise da Substituição do Chuveiro Elétrico por Aquecedor Solar: Uma
Contribuição ao Setor Elétrico na Conservação de Energia/Isolda Cíntia Ferreira
de Sáles – Maceió, 2008.
Orientação: Karla Miranda Barcellos, 2008. 146p.
Dissertação de Mestrado Apresentada ao Curso de Engenharia Química da
Universidade Federal de Alagoas
1. Energia Solar 2. Aquecimento Solar de Água 3. Viabilidade Econômica.
IV
Isolda Cíntia Ferreira de Sáles
ANÁLISE DA SUBSTITUIÇÃO DO CHUVEIRO ELÉTRICO POR
AQUECEDOR SOLAR: UMA CONTRIBUIÇÃO AO SETOR ELÉTRICO
NA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA.
Dissertação de Mestrado aprovada como
requisito parcial para obtenção do Título de
Mestre em Engenharia Química ao Curso
de Pós-Graduação em Engenharia Química
da Universidade Federal de Alagoas.
Área de concentração: Desenvolvimento e
Pesquisa de Processos Regionais
Orientadora: Dra. Karla Miranda Barcellos
Aprovada em: ____ / ____ / ____
BANCA EXAMINADORA:
Profª. Drª. Gheisa Roberta Telles Esteves
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
Prof. Dr. Wagner Roberto de Oliveira Pimentel
Universidade Federal de Alagoas - UFAL
Prof. Dr. William Gonçalves Vieira
Universidade Federal de Alagoas - UFAL
V
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Sebastião Mendes de Sáles e Odaíza Ferreira de
Sáles (in memoriam)
VI
AGRADECIMENTOS
A minha professora orientadora Drª. Karla Miranda Barcellos, que acreditou no meu trabalho e
me apoiou apesar de todas as minhas dificuldades e barreiras.
Aos professores Dr. William Gonçalves Vieira e Dr. Wagner Roberto de Oliveira Pimentel por
apontar as devidas acertadas sugestões necessárias para um bom desempenho desta pesquisa no
exame de qualificação.
À FAPEL – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Alagoas, pelo indispensável apoio
financeiro.
O Ricardo Sérgio de Paula Freitas, que diante dos momentos de desânimo e cansaço, soube ter
paciência e carinho.
O Ricardo James César Calado, pela sua ajuda e delicadeza nos cálculos de Matemática
Financeira.
Ao meu querido filho sem o qual eu nada seria.
A minha grande amiga Jucielma Carvalho por nunca ter me abandonado nas horas de depressão.
A Deus, por ter me dado forças e persistência para vencer mais este desafio.
VII
"A principal necessidade de nossas vidas é alguém que nos obrigue a fazer o que podemos
fazer. Eis a tarefa do amigo."
Ralph Emerson.
VIII
RESUMO
SALES, I.C.F. Análise da Substituição do Chuveiro Elétrico por Aquecedor Solar: Uma
Contribuição ao Setor Elétrico na Conservação de Energia. Dissertação (Mestrado) –
Unidade Acadêmica Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2008.
Esta tese apresenta uma análise da viabilidade econômica quando da substituição do
chuveiro elétrico por aquecedores solares numa residência unifamiliar no município de
Maceió/AL.
Os sistemas de aquecimento solar, tipo placa plana e com circulação natural (por
termossifão) são considerados uma alternativa muito apropriada para o aquecimento de água
doméstica. No Brasil, devido as suas condições climáticas serem bastante favoráveis para
esses tipos de sistemas, os mesmos estão sendo muito utilizados, em especial na região
Nordeste, já que estes sistemas dependem da insolação e radiação solar recebida local.
O trabalho apresenta uma breve introdução com relação ao tema abordado,
descrevendo toda metodologia utilizada para realização do projeto. São apresentadas as
variáveis de interesse, o dimensionamento e montagem do sistema. A aplicação prática da
metodologia utilizada é apresentada na forma de um estudo de caso realizado numa residência
unifamiliar no município de Maceió/AL. Com todo sistema montado é possível avaliar a
eficiência do projeto, sua viabilidade econômica e economia gerada ao longo de 20 anos.
Os resultados finais são apresentados em forma detalhada através de tabelas e gráficos
permitido uma informação bastante ampla e simples de se interpretar.
Palavras-chave: Energia Solar, aquecimento solar de água, viabilidade econômica.
IX
ABSTRACT
SALES, I.C.F. Analysis of Replacement of the shower Electric for Solar Heating: A
Contribution to the Energy Industry in the Conservation of Energy. Dissertation (Master) -
Unity Center for Academic Technology, Federal University of Alagoas, Maceió, 2008.
This thesis presents an analysis of the economic feasibility of replacing the shower
when electric heaters by solar in a unifamiliar residence in the city of Maceio/AL.
The solar heating systems, plain plate type and with natural movement (for siphon
term) are very suitable for heating household water. In Brazil, due to its climatic conditions
are very favorable for these types of systems, they are widely used especially in the Northeast
since they depend on sunlight and solar radiation received locally.
It is presented a brief introduction describing the entire methodology used for the
completion of project. Are given the variables of interest, the design and assembly of the
system are. The given practical application of the methodology used is presented in a case
study conducted in a unifamiliar residence at the Maceió/AL city. With all mounted system
can assess the efficiency of the project, its economic viability and economy generated over 20
years.
The final results are detailed in tables and graphs that allow and simple information to be
interpreted.
Keywords: Solar Energy, Solar Water Heating, Economic
Viability
X
SUMÁRIO
RESUMO ............................................................................................................................. VIII
ABSTRACT ............................................................................................................................IX
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... XII
LISTA DE TABELAS .........................................................................................................XIV
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO, OBJETIVOS E ESTRUTURA...........................................1
1.1 – Introdução.........................................................................................................................1
1.2 - Objetivos ...........................................................................................................................9
1.3 - Estrutura ............................................................................................................................9
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS....................................................................11
2.1 – A Energia Solar ..............................................................................................................11
2.1.1 – Radiação Solar.........................................................................................................11
2.1.1.1 – Modelo de Radiação Solar num Plano Inclinado .............................................15
2.1.1.1.1 – Direção da Radiação Solar Direta Incidente sobre uma Superfície...........15
2.1.1.1.2 – Radiação Extraterrestre em um Plano Horizontal (I
0
)...............................19
2.1.1.1.3 – Radiação Solar Global em um Plano Inclinado (I
T
) ..................................19
2.1.1.1.4 – Radiação Horária Total numa Superfície Horizontal (I) ...........................20
2.2 – Principais Componentes do Sistema de Aquecimento de Água.....................................21
2.2.1 – Coletores Solares .....................................................................................................21
2.2.1.1 – Coletores Solares de Concentração ..................................................................22
2.2.1.2 – Coletores Solares sem Concentração................................................................22
2.2.1.2.1 – Caracterização da Placa Plana Coletora ....................................................26
2.2.2 – Tanque de Armazenamento (Reservatório Térmico ou Boiler) ..............................31
2.2.3 – Equipamento de Energia Auxiliar ...........................................................................33
2.3 – Sistemas de Aquecimento de Água por Energia Solar...................................................35
2.3.1 – Sistema Passivo Direto ............................................................................................35
2.3.2 – Sistema Passivo Indireto..........................................................................................36
2.3.3 – Sistema Ativo Direto ...............................................................................................36
XI
2.3.4 – Sistema Ativo Indireto.............................................................................................37
2.4 – Conservação de Energia .................................................................................................38
2.5 – Vantagens do Aquecimento Solar ..................................................................................47
CAPÍTULO 3 – CICLO DE VIDA ECONÔMICO................................................................49
3.1 – Análise do Ciclo de Vida................................................................................................49
3.1.1 – Viabilidade Econômica e Financeira.......................................................................50
CAPÍTULO 4 – INSTALAÇÃO DO SISTEMA....................................................................54
4.1 – Orientação e Inclinação ..................................................................................................54
4.2 – Características Técnicas dos Equipamentos...................................................................58
4.2.1 – Coletor Solar............................................................................................................58
4.2.2 – Reservatório.............................................................................................................59
4.2.3 – Tubulações e Conexões Hidráulicas........................................................................60
4.2.4 – Instrumentação e Sistema para Aquisição de Dados...............................................60
CAPÍTULO 5 – ESTUDO DE CASO.....................................................................................62
5.1 – Levantamento da Carga Térmica....................................................................................63
5.2 – Parâmetros do Projeto Estudado.....................................................................................66
CAPÍTULO 6 – ANÁLISE ECONÔMICA ............................................................................69
6.1 – Dados para Análise da Viabilidade ............................................................................74
6.2 – Análise de Sensibilidade.............................................................................................77
6.2.1 – Temperatura de Armazenamento do Reservatório Térmico................................77
CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS ..........................................................................81
CAPÍTULO 8 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ....................................................83
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.........................................................................................86
ANEXOS.................................................................................................................................93
Anexo A – Planilha para Cálculo da Fração Solar ..................................................................94
Anexo B – Planilha para Cálculo da Viabilidade Econômica.................................................96
XII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Consumo mundial de energia por tipo de combustível............................................1
Figura 2 – Matriz energética......................................................................................................3
Figura 3 – Dependência externa de energia...............................................................................4
Figura 4 – Consumo final de energia elétrica............................................................................5
Figura 5 – Consumo final de energia setor residencial .............................................................6
Figura 6 – Representação das estações do ano e do movimento da Terra em torno do Sol....12
Figura 7 – Potencial de utilização de energia solar na Terra...................................................13
Figura 8 – Potencial de utilização de energia solar no Brasil..................................................13
Figura 9 – Insolação média mensal da Estação do INMET ....................................................14
Figura 10 – Distribuição percentual da radiação solar direta incidente ..................................15
Figura 11 – Determinação do ponto (p) na superfície da Terra...............................................16
Figura 12 – Ângulos solares derivados....................................................................................17
Figura 13 – Ângulos solares derivados incidência e zenital....................................................18
Figura 14 – Coletores solares de concentração .......................................................................22
Figura 15 – Seção típica de um coletor de superfície plana ....................................................24
Figura 16 – Esquema de trocas de energia no coletor .............................................................24
Figura 17 – Diagrama esquemático do coletor solar de superfície plana integrado ao tanque de
armazenamento........................................................................................................................26
Figura 18 – Curva de eficiência para coletor solar..................................................................29
Figura 19 – Ilustração de um sistema solar de aquecimento de água......................................32
Figura 20 – Esquema de localização da energia auxiliar.........................................................33
Figura 21 – Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia auxiliar
interna ao reservatório de armazenamento de água quente .....................................................35
Figura 22 – Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia auxiliar
interna ao reservatório de armazenamento de água quente .....................................................36
Figura 23 – Esquema simplificado de um sistema ativo direto...............................................37
Figura 24 – Esquema simplificado de um sistema ativo indireto............................................37
Figura 25 – Domicílios que possuem pelo menos um chuveiro elétrico no Brasil e regiões..41
Figura 26 – Fonte utilizada para aquecimento de água para banho.........................................41
XIII
Figura 27 – Técnicas para alterar a forma da curva de demanda ............................................43
Figura 28 – Curva de carga diária média no Brasil .................................................................44
Figura 29 – Curva de carga diária média na região Nordeste do Brasil..................................44
Figura 30 – Desenho esquemático de um fluxo de caixa ........................................................51
Figura 31 – Representação da orientação e inclinação do coletor solar como condição de
instalação .................................................................................................................................55
Figura 32 – Representação da orientação e inclinação do coletor solar..................................56
Figuras 33 e 34 – Ilustração da montagem do sistema por termossifão..................................57
Figuras 35 e 36 – Vista do coletor solar montado em residência unifamiliar .........................58
Figuras 37 e 38 – Vista do reservatório térmico montado em residência unifamiliar.............59
Figuras 39 e 40 – Vista das posições das tubulações hidráulicas de entrada e saída de água do
reservatório térmico.................................................................................................................59
Figuras 41 e 42 – Apresentação da posição dos sensores para as medições de temperatura ..61
Figura 39 – Pinamômetro, anemômetro e sensor para temperatura ambiente.........................61
Figuras 43 e 44 – Sistema de aquisição de dados DATALLOGER e vista do painel
fotovoltaico..............................................................................................................................61
Figura 45 – Variação da fração solar em Maceió/AL .............................................................74
Figura 46 – Representação do payback para as tarifas simuladas...........................................76
Figura 47 – Representação do payback para a temperatura de 50
o
C simulada .......................80
Figura 48 – Representação do payback para a temperatura de 60
o
C simulada .......................80
XIV
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Produção de energia primária no Brasil (%) ...........................................................2
Tabela 2 – Consumo de energia elétrica (%).............................................................................6
Tabela 3 – Consumo de eletrodomésticos .................................................................................7
Tabela 4 – Insolação variação sazonal ....................................................................................14
Tabela 5 – Ângulo de inclinação dos coletores solares para os estados do nordeste do Brasil56
Tabela 6 – Ângulo de inclinação dos coletores solares para os estados do nordeste do Brasil64
Tabela 7 – Parâmetros para o projeto estudado.......................................................................67
Tabela 8 – Mercado de distribuição brasileiro de energia elétrica..........................................69
Tabela 9 – Tarifas convencionais de energia elétrica para baixa tensão.................................70
Tabela 10 – Tarifas consideradas para análise de viabilidade econômica ..............................70
Tabela 11 – Valores econômicos para o sistema de aquecimento solar..................................71
Tabela 12 – Temperatura ambiente média mensal para Maceió/AL.......................................73
Tabela 13 – Radiação solar média no plano horizontal mensal para Maceió/AL ...................73
Tabela 14 – Radiação solar média no plano inclinado média mensal para Maceió/AL..........73
Tabela 15 – Entradas e saídas do projeto estudado para análise de viabilidade econômica ...75
Tabela 16 – Resultados obtidos para as diferentes tarifas simuladas......................................76
Tabela 17 – Análise do comportamento do sistema para uma temperatura de armazenamento
de 50ºC ....................................................................................................................................78
Tabela 18 – Análise do comportamento do sistema para uma temperatura de armazenamento
de 60ºC ....................................................................................................................................79
Tabela 19 – Resultados obtidos de VPL, TIR e payback para as temperaturas de 50º e 60º
simuladas .................................................................................................................................80
1
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO, OBJETIVOS E ESTRUTURA
1.1 – INTRODUÇÃO
O homem vem, ao longo dos anos, modificando seu padrão de vida, utilizando a tecnologia
para viver mais e melhor. Isso implica num maior consumo de energia. A Figura 1 apresenta a
distribuição aproximada do consumo de energia mundial, por fonte de energia. Observamos
que os elementos não renováveis são os principais combustíveis utilizados pela sociedade, o
que agrava ainda mais a condição futura de disponibilidade de energia, dado que são produtos
finitos.
Figura 1 – Consumo mundial de energia por tipo de combustível. Fonte: EIA
- Evolução da Energia Internacional, 2000.
Segundo BRAGA (2002), uma saída para a crise de energia é a conservação e eficiência
energética. Isso implica desenvolver meios de utilizar mais eficientemente as fontes hoje
disponíveis. Os benefícios da conservação são enormes, prolongam o uso das fontes finitas e,
principalmente, minimizam os impactos ambientais decorrentes da geração de energia.
Paralelamente ao desenvolvimento de novas formas de aproveitamento energético, a
conservação é um dos principais meios de gerenciar a crise atual.
O consumo médio anual de energia comercial no Brasil foi da ordem de 1,19 Toneladas
Equivalentes de Petróleo por habitante (TEP/habitante) em 2005 – (Balanço Energético
Nacional, 2006), ocupando uma posição bem abaixo da média mundial que corresponde a
2
1,77 TEP/habitante (2004), inclusive, abaixo da Argentina (1,66) e muito abaixo dos USA
(7,91). A fonte energética convencional mais utilizada no Brasil é a proveniente de
combustíveis fósseis conforme demonstrado na Tabela 1. Com relação aos combustíveis
fósseis vários são os problemas relacionados quando da sua utilização:
esgotamento das reservas energéticas;
combustão de combustíveis;
contribuição para o aumento do aquecimento global;
crescente riscos de poluição ambiental nos processos de produção, transporte e
utilização;
Tabela 1 – Produção de energia primária no Brasil (%)
Energia 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Não-renovável 48,2 52,0 53,4 55,0 53,1 52,2 52,7
Petróleo 38,7 41,6 42,7 43,1 42,1 40,3 42,0
Gás Natural 8,1 8,6 8,9 8,8 8,5 8,9 8,8
Carvão Vapor 1,4 1,7 1,4 1,1 1,0 1,1 1,2
Carvão Metalúrgico 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1
Urânio (U3O2) 0,0 0,1 0,4 1,9 1,5 1,9 0,7
Renovável 51,8 48,0 46,6 45,0 46,9 47,8 47,3
Hidráulica 17,2 17,1 14,7 14,1 14,3 14,5 14,5
Lenha 15,1 15,0 14,3 13,6 14,1 14,8 14,2
Produtos da Cana-de-
Açúcar
16,8 13,0 14,6 14,5 15,4 15,4 15,5
Outras Renováveis 2,7 2,9 3,0 2,9 3,1 3,1 3,2
Total 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Fonte: MME, 2007.
Segundo BRAGA (2002), considerando-se a geração de energia elétrica, o Brasil é o país que
possui a maior reserva mundial de hidroenergia. Dada à imensa quantidade de rios que cobre
o país, esse é o recurso mais utilizado para a geração de eletricidade.
Conforme a Matriz de Energia Elétrica (ANEEL, 2007), vide Figura 2, o potencial brasileiro
hidrelétrico corresponde a 70% da energia gerada no país. O Brasil consome atualmente 100
por cento da energia hidrelétrica que produz.
3
Mesmo sendo uma fonte renovável, várias são as dificuldades para sua expansão no contexto
brasileiro:
a) impactos ambientais no seu processo de implantação;
b) demanda de grandes recursos financeiros, devido a necessidade de indenização de
terras causada pela desapropriação de algumas propriedades no entorno para a
construção da barragem;
c) desmatamento da vegetação arbórea: Mata Ciliar, Mata de Encosta;
d) possível desaparecimento de espécies da flora, ainda não conhecidas, endêmicas ou de
restrita distribuição geográfica;
e) provável morte por afogamento de indivíduos da fauna, com pouca mobilidade;
f) mudança de ambiente lótico para lêntico, modificando as características físico-
químicas e diminuindo a taxa de oxigênio por um longo período até a decomposição
total da matéria orgânica, acarretando problemas para a fauna, flora aquática e
contribuição para o aumento do efeito estufa;
Figura 2 – Matriz energética. Fonte: ANNEL, 2007
Na década de 70, a dependência externa de energia foi crescente, passando de 28% para cerca
de 46% das necessidades totais do país, vide Figura 3.
Os dados de 2005 mostram uma redução desse nível para pouco mais de 10%.
Especificamente em relação ao petróleo, a diminuição foi ainda mais significativa: de
dependente em cerca de 85% em 1979, o país passou a auto-suficiência em 2005, com
dependência negativa de 0,1% (calculada como a diferença entre a demanda interna de
4
energia, inclusive perdas de transformação, distribuição e armazenagem e a produção interna).
Na estrutura da OIE (Oferta Interna de Energia), nota-se as significativas transformações,
resultantes das políticas adotadas, especialmente no período de 1979 a 1985. (ANEEL, 2007).
Figura 3 – Dependência externa de energia. Fonte: MME, 2007
Apesar dos alertas e dos projetos de expansão do setor elétrico brasileiro, em 2001 a história
do país ficou marcada pela grande crise energética na qual o governo federal foi obrigado a
tomar medidas severas como forma de racionalização atingindo todas as classes sociais.
Conforme dito BRAGA (2002), “existem hoje no mundo duas correntes que defendem
estratégias opostas para enfrentar a crise energética do futuro. Uma delas segue a linha de
conduta mais tradicional, a chamada
t
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l”.
MILLER (1985) descreve um breve resumo desses dois enfoques:
“Os membros da linha do mundo em crescimento enfatizam de
imediato a necessidade de medidas de incentivo para que as
companhias de energia aumentem seus suprimentos de
combustíveis não-renováveis: petróleo, gás natural, carvão e
urânio. Além disso, defendem a construção de grandes usinas
termoelétricas (a carvão e combustível nuclear) para atender a
demanda nos próximos 25 anos. Após 2020 entrariam em
funcionamento os reatores Breeder, em substituição aos reatores
de fissão, prolongando as reservas de urânio por pelo menos mais
mil anos. Após o ano 2050 haveria uma gradual mudança para
total dependência das usinas a fusão nuclear. As linhas de
crescimento sustentável argumenta que o caminho mais rápido,
eficiente e barato para prover energia necessária para o futuro é
uma combinação das seguintes medidas:
5
1. aumentar a eficiência no uso da energia;
2. diminuir o emprego de óleo, carvão e gás natural não-
renováveis;
3. eliminar as usinas nucleares pois estas seriam
antieconômicas, inseguras e desnecessárias e
4. aumentar o emprego de recursos energéticos solares
diretos e indiretos.
As casas e edifícios seriam aquecidos por sistemas que
aproveitariam a luz solar direta; a eletricidade seria gerada por
usinas térmicas existentes (devidamente equipadas para não
lançar resíduos para a atmosfera), por cogeração nas indústrias,
por geradores acionados pela força do vento, pela restauração de
antigas hidrelétricas e, finalmente, por células fotoelétricas. O
calor de alta temperatura seria obtido por caldeiras, alimentadas
por gás natural, restos vegetais e lixo urbano. O resíduo de calor
dessas caldeiras poderia ser usado para cogeração”.
Segundo os dados do Ministério das Minas e Energia, a estrutura do consumo de energia
elétrica entre os segmentos de consumidores mostra uma forte concentração do seu uso na
indústria, seguido do uso residencial como apresentado na Figura 4.
Figura 4 – Consumo final de energia elétrica. Fonte: MME, 2007
Ainda de acordo com o MME, analisando o consumo energético apenas para o setor
residencial, observa-se um aumento no consumo de energia elétrica conforme demonstrado na
Tabela 2 de 5,2% em 1975 para 32,8% em 2005. Esta mesma tabela nos mostra uma mudança
no hábito de consumo de energia onde o consumo de lenha caiu de 81,5% em 1975 para
37,5% em 2005. Neste período, a população buscou substituir a lenha pela energia elétrica e
pelo Gás Liquefeito de Petróleo – GLP. A Figura 5 apresenta o consumo final de energia no
setor residencial.
6
Tabela 2 – Consumo de energia elétrica (%)
Unidade 1975 1985 1995 2005
Consumo de energia elétrica em relação ao consumo
total do setor residencial
% 5,2 15,2 30,2 32,8
Consumo de lenha em relação ao consumo total do
setor residencial
% 81,5 58,2 3,9 37,5
Fonte: MME, 2007.
Segundo o MME em seu Balanço Energético Nacional – BEN 2006, o consumo de energia
elétrica no setor residencial em 2004 era de 78,6 TWh passando para 83,2 TWh em 2005.
Estes dados representam um crescimento da ordem de 5,9% neste setor mantendo a reversão
das performances negativas de 2001 e 2002.
Figura 5 – Consumo final de energia setor residencial. Fonte: MME, 2007
Pode-se considerar que o consumo de energia em uso residencial está direcionado para o
aquecimento da água onde esta representa uma parcela bastante significativa. Em habitações
de interesse social, 32% do total da energia gasta é devido ao chuveiro elétrico PRADO;
GONÇALVES, (1992).
De acordo com o PROCEL - ELETROBRÁS (2006) o consumo médio mensal do chuveiro
elétrico é estimado em 70 kWh/mês
1
.
Quando comparado a outros equipamentos de uso doméstico como o ar-condicionado, fogão
elétrico quatro chapas, aquecedores de ambiente, aquecedores de água (boiler), bomba d’água
¼ CV o chuveiro elétrico apresenta consumo inferior, mas quando comparado com o freezer,
1
Considerados 05 (cinco) banhos de 08 (oito) minutos cada.
7
geladeiras, computador/impressora/estabilizador, ferro elétrico, forno microondas, lavador de
roupas, entre outros conforme apresentado na Tabela 3 seu consumo é superior.
Tabela 3 – Consumo de eletrodomésticos
Aparelho Elétrico
Potência
Média
(W)
Dias
Estimados
(uso/mês)
Média
Utilização/Dia
Consumo Médio
Mensal
(kWh)
Aquecedor de ambiente
1.550 15 8h 186,0
Ar-Condicionado 7.500 BTU
1.000 30 8h 120,0
Ar-Condicionado 10.000 BTU
1.350 30 8h 162,0
Ar-Condicionado 12.000 BTU
1.450 30 8h 174,0
Ar-Condicionado 15.000 BTU
2.000 30 8h 240,0
Ar-Condicionado 18.000 BTU
2.100 30 8h 252,0
Boiler 50 e 60L
1.500 30 6h 270,0
Boiler 100L
2.030 30 6h 365,4
Boiler 200 a 500L
3.000 30 6h 540,0
Cafeteira Elétrica
600 30 1h 18,0
Computador/impressora/Estabilizador
180 30 3h 16,2
Chuveiro Elétrico
3.500 30 40min
2
70,0
Ferro Elétrico Automático
1.000 12 1h 12,0
Fogão Elétrico 4 Chapas
9.12 30 4h 1.094,4
Forno Microondas
1.200 30 20mim 12,0
Freezer Vertical/Horizontal
130 30 10h
3
39,0
Geladeira 1 porta
90 30 10h
3
27,0
Geladeira 2 portas
130 30 10h
3
39,0
Lavadeira de Roupas
500 12 1h 6,0
Fonte: MME, 2007.
O que eleva o pico do sistema de distribuição de energia elétrica é a grande quantidade de
chuveiros elétricos ligados ao mesmo tempo. Como pode ser verificado na Tabela 3, o
chuveiro elétrico não possui um consumo tão elevado quando comparado ao ar-condicionado.
Devido ao aumento na demanda de energia pelo uso residencial, observa-se hoje um crescente
interesse no potencial das fontes energéticas não convencionais e em particular a utilização da
energia solar aplicada para o aquecimento de água à baixa temperatura.
2
Considerados 05 (cinco) banhos de 08 (oito) minutos cada.
3
O tempo médio de utilização igual 1º h/dia para geladeira/freezer/frigobar refere-se ao período em que o
compressor está ligado para manter o interior do aparelho à temperatura desejada.
8
Em Dreux, ao sul de Paris, 600 habitações foram equipadas com varanda solares apresentando
uma economia de energia em torno de 43%.
A tecnologia do aquecedor solar já vem sendo usada no Brasil desde a década de 60, época
em que surgiram as primeiras pesquisas. Em 1973, empresas passaram a utilizá-la
comercialmente (ABRAVA, 2001). Dessa forma, a energia solar pode-se tornar uma boa
alternativa para a população brasileira.
De acordo com a Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e
Aquecimento (ABRAVA, 2001), existiam até recentemente cerca de 500.000 coletores
solares residenciais instalados no Brasil. Somente com aquecimento doméstico de água para
banho, são gastos anualmente bilhões de kWh de energia elétrica, os quais poderiam ser
supridos com energia solar, com enormes vantagens socioeconômicas e ambientais. Mais
grave ainda é o fato de que quase toda essa energia costuma ser consumida em horas
específicas do dia, o que gera uma sobrecarga no sistema elétrico.
“O sol não é uma nova forma de energia. A sua utilização na produção de calor e potência por
vários métodos novos constitui uma nova maneira de proporcionar à humanidade os
benefícios de uma energia que tem a idade do mundo” (BEZERRA, 1998).
Um dos principais problemas encontrados à difusão da implantação da tecnologia de
aquecimento solar da água, está relacionado com o custo de aquisição dos equipamentos e sua
instalação, particularmente para as residências de baixa renda. Mas a tendência ao longo dos
anos é a redução destes custos, visto que, a escala de produção está em progressão, haverá
aumento da concorrência e dos incentivos governamentais.
O crescimento médio no setor, que já conta com aproximadamente 140 fabricantes e possui
uma taxa histórica de crescimento anual de aproximadamente 35%, foi acima de 50% em
2002. Em 2002, foram produzidos no país 310.000m
2
de coletores solares (ABRAVA, 2001).
Em Alagoas, mais de 3.000 coletores solares foram instalados (HIDROSOL, 2007)
deslocando o uso de mais de 2.500 chuveiros elétricos evitando além do pico de corrente, o
desmatamento e inundação de áreas para construção de hidrelétricas e um investimento
9
aproximado de U$ 25 milhões de dólares na geração de energia elétrica, contribuindo assim
para o desenvolvimento sustentável e para uma melhor qualidade de vida no planeta.
Os sistemas de aquecimento solar são compostos por coletores solares, reservatório de fluido,
fonte auxiliar de energia e um subsistema de distribuição de fluido aquecido. O coletor solar é
o componente mais importante do sistema de aquecimento solar. É ele o responsável pela
conversão da energia solar em energia térmica. A necessidade de ter-se um reservatório para
armazenamento é devido ao fato de que a demanda pelo fluido aquecido ocorre,
principalmente, durante o período noturno, enquanto que a sua geração ocorre durante o dia.
Diversos pesquisadores têm recorrido à simulação computacional para estudar estes sistemas.
Neste caso, a modelagem matemática destes sistemas é um tanto complexa devido às
características inerentes a este sistema e a natureza da energia solar (SIQUEIRA, 2003).
1.2 - OBJETIVOS
Considerando os fatos citados, esta dissertação busca investigar a viabilidade econômica da
substituição dos chuveiros elétricos por sistemas de coletores solares em residências no
Município de Maceió em Alagoas, contribuindo com o setor hidroelétrico do Nordeste no
tocante a conservação de energia e a preservação do meio ambiente.
Para tanto, o trabalho apresenta os seguintes objetivos específicos:
a) Contribuir para diversificar os usos dos recursos energéticos em âmbito regional;
b) Instalar o sistema de aquecimento de água com coletores solares em uma residência
padrão e instrumentar esse sistema para aquisição de dados;
c) Determinar o desempenho desse equipamento e a economia na conta de eletricidade,
gerada pela substituição do chuveiro elétrico.
1.3 - ESTRUTURA
Para desenvolver este estudo, a dissertação será apresentada em oito capítulos. Neste capítulo
inicial, apresenta-se uma introdução ao assunto que será abordado estabelecendo e
argumentando o problema que será proposto a estudar, enunciando para isso, seus objetivos
específicos.
10
No capítulo 2 apresenta-se a revisão bibliográfica onde constarão alguns dos fundamentos
teóricos. Serão estabelecidas as diferenças entre os sistemas de aquecimento por energia solar,
apresentando as características básicas dos sistemas ativos e passivos de aquecimento solar,
suas diferenças quanto à instalação e operação, a conservação da energia e as vantagens do
aquecimento solar.
No capítulo 3 é apresentada a metodologia de pesquisa utilizada para esta dissertação, para
análise do ciclo de vida econômico.
O capítulo 4 apresentará a instalação do sistema, relacionando a inclinação e as características
técnicas dos equipamentos para um melhor desempenho do sistema.
Como aplicação prática, é apresentada no capítulo 5 o estudo de caso que serve como
elemento para consolidação da metodologia apresentada. A análise econômica do estudo de
caso é avaliada no capítulo 6.
No capítulo 7 apresentamos os principais resultados obtidos e, finalmente, no capítulo 6,
encerra-se esta dissertação apresentando as conclusões e recomendações para posteriores
trabalhos.
11
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 – A ENERGIA SOLAR
A energia solar como o próprio nome já diz, é uma energia que vem do sol, sendo irradiada
continuamente por este astro. Para se ter uma idéia, em apenas um segundo o sol produz mais
energia (internamente) que toda energia usada pela humanidade desde o começo dos tempos.
Esta energia pode ser aproveitada de diversas maneiras. Além das formas mais simples como
secagem de produtos e aquecimento de água (energia térmica solar) pode-se utilizá-la também
para produzir eletricidade (eletricidade solar ou energia fotovoltaica).
2.1.1 – Radiação Solar
A Energia Solar soma características vantajosamente positivas para o sistema ambiental, pois
o Sol, trabalhando como um imenso reator à fusão, irradia na terra todos os dias um potencial
energético extremamente elevado e incomparável a qualquer outro sistema de energia, sendo
a fonte básica e indispensável para praticamente todas as fontes energéticas utilizadas pelo
homem.
A boa utilização da energia solar exige o estudo do sol como a fonte geradora. Como esta
energia é distribuída no espaço e, em especial, sobre a Terra, existem as formas mais
convenientes para o seu aproveitamento. Devido à variabilidade da radiação solar sobre a
superfície terrestre, é necessário conhecer as mudanças que ela sofre ao atravessar a
atmosfera para que dessa forma possa-se otimizar o sistema solar para aquecimento. O Sol
irradia anualmente o equivalente a 10.000 vezes a energia consumida pela população mundial
neste mesmo período. O Sol produz continuamente 390 sextilhões (390x10
21
) de quilowatts
de potência. Como o Sol emite energia em todas as direções, um pouco desta energia é
desprendida, mas mesmo assim, a Terra recebe mais de 1.500 quatrilhões (1,5x10
18
) de
quilowatts-hora de potência por ano. Esse suprimento é abundante, a energia é grátis e
inesgotável, embora seja distribuída finamente numa enorme área, e ao nível do chão seja
altamente variável.
12
Além das condições atmosféricas, a disponibilidade de radiação solar, também denominada
energia total incidente sobre a superfície terrestre, depende da latitude local e da posição no
tempo (hora do dia e do ano), como mostrado na Figura 6. Essas influências estão mais bem
definidas abaixo:
a) Condições atmosféricas: nebulosidade, umidade relativa do ar alteram a radiação
disponível. Entretanto, este fator, segundo HUDSON; MARKELL (1985) exerce
reduzida influência porque a radiação que atinge a superfície terrestre é formada por
radiação direta e difusa. Conforme esses autores 10% da radiação que chega à
superfície da terra em dias claros é a radiação difusa. Contudo, nos dias nublados,
frequentemente toda radiação disponível é a difusa;
b) Latitude local: à medida que a latitude local aumenta, a área da superfície da terra que
a mesma radiação atinge é maior, resultando numa menor concentração de radiação;
c) Posição no tempo: a cada hora do dia os raios solares atingem uma dada superfície
sob diferentes ângulos. Desta forma, por um período do ano o planeta expõe mais o
hemisfério Sul à luz solar e por outro período ele expõe mais o hemisfério Norte.
Figura 6 – Representação das estações do ano e do movimento da Terra em torno do Sol.
Fonte: ANEEL – Energia Solar, 2007
Segundo o Manual de Energia Alternativa do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica -
CEPEL (2001), o potencial de aproveitamento da energia solar de uma determinada região é
determinado, principalmente, em função de sua localização no Globo Terrestre. As regiões
localizadas entre os círculos polares e os trópicos podem ser consideradas como de médio
13
potencial de energia solar e as regiões localizadas entre as linhas tropicais podem ser
consideradas de alto potencial. A Figura 7 representa esta situação.
Figura 7 – Potencial de utilização de energia solar na Terra. Fonte: CEPEL, 2001
O Brasil encontra-se em uma região entre os trópicos e próxima à linha do Equador,
privilegiando-se dos elevados índices solarimétricos
que são determinantes para o crescente
aproveitamento do aquecimento solar. A Figura 8 mostra que o Brasil possui grande parte de seu
território (cerca de 90%) na região considerada de alto potencial de energia solar.
Figura 8 – Potencial de utilização de energia solar no
Brasil. Fonte: CEPEL, 2001
A maior parte do território brasileiro está localizada relativamente próxima à linha do
equador, de forma que não se observam grandes variações na duração solar do dia. Pela sua
localização próxima ao Equador, Maceió recebe grande quantidade de radiação solar durante
todo o ano. A Figura 9 mostra a variação média anual da insolação na Estação Meteorológica
de Maceió do INMET – Código WMO 82994 – Latitudes 09º 40’ e Longitude 35º 42’ no
14
período de 1961 a 1990. O valor médio anual é de 2.609,7 horas correspondendo a uma
insolação diária (média anual) de aproximadamente sete horas.
0
50
100
150
200
250
300
M ê s
horas de sol
254,2 225,7 203,0 179,4 191,8 178,6 176,0 205,2 204,6 252,4 274,7 264,2
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
Figura 9 – Insolação média mensal da Estação do INMET. Fonte: INMET, 2007
Nos meses mais chuvosos (abril a julho), boa parte dos feixes solares são interceptados pela
camada de nebulosidade associada à atividade convectiva típica da estação, o que resulta em
um decréscimo da insolação em superfície. A média mensal de insolação deste período é de
181,5 horas/mês. Nos demais meses, a menor nebulosidade determina a época de maior
insolação do ano. Novembro é o mês com maior número médio de horas de sol: 274,7 horas.
O mês de menor média de insolação é o de julho, com 176 horas.
A Tabela 4 mostra a variação sazonal das horas de sol em cada estação do ano.
Tabela 4 – Insolação variação sazonal
Estação Verão Outono Inverno Primavera
Insolação Total (horas) 744,1 574,2 559,8 731,7
Fonte: INMET, 2007
Vale salientar que as regiões que possuem menores índices de radiação solar também
apresentam um potencial grande com relação ao seu aproveitamento energético, pois, existe
uma infinidade de pequenos aproveitamentos de energia solar no Brasil. Mas isso ainda é
pouco significativo diante do potencial existente no país.
15
2.1.1.1 – Modelo de Radiação Solar num Plano Inclinado
Os dados de radiação solar foram coletados na superfície horizontal, devido a isto é necessário
estimar a radiação no plano inclinado. Assim, a radiação num plano inclinado é composta por
três componentes: a radiação solar direta, a radiação difusa isotrópica e a radiação solar
difusamente refletida pelo solo.
2.1.1.1.1 – Direção da Radiação Solar Direta Incidente sobre uma Superfície
Embora a atmosfera seja muito transparente à radiação solar incidente, somente em torno de
25% penetra diretamente na superfície da Terra sem nenhuma interferência da atmosfera,
constituindo a insolação direta. O restante é refletido de volta para o espaço ou absorvido ou
espalhado em volta até atingir a superfície da Terra ou retornar ao espaço (Figura 10).
Figura 10 – Distribuição percentual da radiação solar direta incidente. Fonte:
UFPR – DEPARTAMENTO DE FÍSICA, 2007
Dessa forma, para se obter uma boa orientação da radiação solar em relação a um
determinado ponto (p) sobre a superfície da Terra em relação aos raios solares, torna-se
necessário conhecer num dado instante, o ângulo horário do ponto, a latitude e a declinação
do Sol. A Figura 11 representa a determinação desse ponto na superfície da Terra.
16
Figura 11 – Determinação do ponto (p) na
superfície da Terra.
L
L
a
a
t
t
i
i
t
t
u
u
d
d
e
e
d
d
o
o
l
l
o
o
c
c
a
a
l
l
(
(
φ
φ
)
)
→ denomina-se latitude, ao menor ângulo formado entre a
vertical desse ponto e o plano do Equador. É expressa em graus a partir do Equador
(0°), até o pólo Norte (90°) ou o pólo Sul (-90°). O Equador serve de referência para
determinar a latitude de qualquer local (-90º ≤ φ ≤ 90º);
D
D
e
e
c
c
l
l
i
i
n
n
a
a
ç
ç
ã
ã
o
o
S
S
o
o
l
l
a
a
r
r
(
(
δ
δ
)
)→ posição angular do sol ao meio dia em relação ao plano do
equador. Representado pela seguinte expressão:
(
)
+
=
365
d284360x
23,45xsenδ
(1)
Onde:
d: número do dia do ano.
Â
Â
n
n
g
g
u
u
l
l
o
o
h
h
o
o
r
r
á
á
r
r
i
i
o
o
(
(
ω
ω
)
)→ é o ângulo referente ao deslocamento angular do sol em relação
ao meridiano local. Pode ser expresso pela seguinte expressão:
12ET
15
oLocalLongituded
rsalTempoUnive15xω −
+
+=
(2)
(
)
(
)
(
)
[
]
( )
horas
60
B1,5xsenB7,53xcos2B9,87xsen
ET
−
−
=
(3)
φ
ω
δ
17
(
)
[
]
364
1d360x
B
−
=
(4)
Onde:
Tempo Universal: hora de GREENWITCH;
Longitude do Local: positivo para leste de GREENWITCH;
d: número do dia do ano.
Os ângulos solares derivados estão abaixo representados.
I
I
n
n
c
c
l
l
i
i
n
n
a
a
ç
ç
ã
ã
o
o
d
d
a
a
s
s
u
u
p
p
e
e
r
r
f
f
í
í
c
c
i
i
e
e
(
(
β
β
)
)
→ ângulo entre o plano da superfície e sua horizontal (0º
≤
β
≤
180º);
Â
Â
n
n
g
g
u
u
l
l
o
o
a
a
z
z
i
i
m
m
u
u
t
t
a
a
l
l
d
d
a
a
s
s
u
u
p
p
e
e
r
r
f
f
í
í
c
c
i
i
e
e
(
(
γ
γ
)
)→ é o ângulo entre a projeção da normal à superfície
e o plano do meridiano local. Para o sul é zero, para o leste é negativo e para o oeste é
positivo (-180º
≤
γ
≤
180º);
Â
Â
n
n
g
g
u
u
l
l
o
o
z
z
e
e
n
n
i
i
t
t
a
a
l
l
(
(
θ
θ
Z
Z
)
): é o ângulo formado entre os raios solares e a vertical;
Â
Â
n
n
g
g
u
u
l
l
o
o
d
d
e
e
i
i
n
n
c
c
i
i
d
d
ê
ê
n
n
c
c
i
i
a
a
(
(
θ
θ
)
): é o ângulo formado entre a radiação direta e anormal à
superfície inclinada.
Â
Â
n
n
g
g
u
u
l
l
o
o
d
d
e
e
a
a
l
l
t
t
i
i
t
t
u
u
d
d
e
e
s
s
o
o
l
l
a
a
r
r
(
(
ϕ
ϕ
)
)→ formado entre os raios solares e sua projeção em um
plano horizontal.
A Figura 12 apresenta os ângulos solares derivados.
Figura 12 – Ângulos solares derivados.
Fonte: JULIANA, 2003.
18
Figura 13 – Ângulos solares derivados incidência e zenital
Fonte: JULIANA, 2003.
Na Figura 13.a acima o ângulo de incidência está perpendicular ao papel e coincide com o
eixo norte sul apresentando o ângulo de incidência
θ
. Outros ângulos para uma determinada
inclinação e direção podem assim ser descritos:
(
)
(
)
( ) ( ) ( )
ωγβωγβφωβφ
γ
β
φ
β
φ
sen sen sen cosδcos cos sen sen cosδcos cos cos cosδ
cos sen cos senδcos sen senδcosθ
++
+
−
=
(5)
A superfície estando na posição horizontal (
β
=0º) e o ângulo incidente coincide com o ângulo
zenital (Figura 13.b), a equação 2.5 se reduz a:
(
)
(
)
cosω cosδ cosδsenφ senδθ cos
Z
+=
(6)
Para se obter o ângulo horário correspondente ao pôr-do-sol, fazemos na equação 6,
θ
Z
= 90º.
(
)
tanδ tanφ cos
S
−=
ω
(7)
Para o cálculo do número de horas diárias de insolação para um determinado ponto sobre a
superfície da Terra DUFFIE;BECKMAN (1991) apresentam uma expressão que é função da
latitude e da declinação solar:
( )
[ ]
tanδ tanφ arcosx
15
2
N −
=
(8)
(a) (b)
19
2.1.1.1.2 – Radiação Extraterrestre em um Plano Horizontal (I
0
)
Segundo DUFFIE; BECKMAN (1991) a energia solar, por unidade de tempo, recebida em
uma área perpendicular à direção da propagação da luz e medida à metade da distância entre
o sol e a Terra chamada de constante solar (G
sc
= 1,5x108 km) é em média 1.367 W/m
2
.
Numa superfície horizontal a radiação solar situada fora da influência da atmosfera é
calculada pela expressão abaixo:
( )
(
)
δφ
−
+−δφ
+= sensen
180
ωωπ
senωsenωcoscosx
365
360d
0,033xcos1x
π
12x3.600xG
I
12
12
SC
0
(9)
Onde:
I
0
= radiação solar horária extraterrestre (J/m
2
);
ω
1
e
ω
2
= ângulos horários limites que compreendem o período de integração (
o
).
2.1.1.1.3 – Radiação Solar Global em um Plano Inclinado (I
T
)
A radiação que incide sobre uma determinada superfície inclinada deve ser estimada a partir
de medidas incidente na superfície horizontal. O modelo de radiação isotóprica proposto por
LIU; JORDAN (1963) permite calcular a radiação global horária em um plano inclinado.
(
)
(
)
β−
ρ+
β+
+=
2
cos1
Ix
2
cos1
xIxRII
gdbbT
(10)
Onde:
I
T
= radiação solar global horária em um plano inclinado (J/m
2
);
ρ
g
= refletividade do solo (adimensional);
I
b
= radiação solar direta horária (J/m
2
);
I = radiação solar horária total no plano horizontal (J/m
2
).
R
b
= razão entre a radiação direta horária na superfície inclinada pela radiação direta horária
no plano horizontal (adimensional). DUFFIE; BECKMAN (1991) calcula o fator R
b
pela
expressão:
Z
b
cos
cos
R
θ
θ
=
(11)
I
d
= radiação difusa horária (J/m
2
).
20
Para a estimativa da radiação difusa esta tese utilizará o modelo proposto por REINDL;
BECKMAN; DUFFIE (1990). Este modelo apresenta uma relação entre a radiação difusa
horária com a radiação horária em superfície horizontal, o índice de claridade, o ângulo de
altitude solar, a temperatura ambiente e a umidade relativa. Este correlação pode assim ser
obtida:
•
Para o intervalo: 0
≤
k
T
≤
0,3 Limites:
01,
I
I
d
≤
( )
+−ϕ+−=
100
01950000682002390232001
u
x,xT,xsen,xk,,
I
I
aT
d
(12)
•
Para o intervalo: 0,3 < k
T
< 0,78 Limites:
97010 ,
I
I
,
d
≤≤
( )
+−ϕ+−=
100
1060003570267071613291
u
x,xT,xsen,xk,,
I
I
aT
d
(13)
•
Para o intervalo: 0,78 < k
T
Limites:
I
I
,
d
≤10
( )
+−ϕ−=
100
0734000349025604260
u
x,xT,xsen,xk,
I
I
aT
d
(14)
Onde:
I
d
= radiação difusa horária (J/m
2
);
I = radiação solar horária total no plano horizontal (J/m
2
);
k
T
= índice de claridade (adimensional), obtido pela expressão:
o
T
I
I
k =
(15)
T
a
= temperatura ambiente (
o
C);
u = umidade relativa (%);
ϕ
= ângulo de altitude solar (
o
).
2.1.1.1.4 – Radiação Horária Total numa Superfície Horizontal (I)
A expressão abaixo relaciona a radiação horária total em superfície horizontal com a radiação
diária total numa superfície horizontal.
21
H
I
r
t
=
(16)
COLLARES-PEREIRA, RAL (1979) apresenta uma distribuição estimada, pela simetria dos
dias, da radiação total horária em função da latitude do local, da declinação, da radiação total
diária e da radiação total horária:
( )
( )
( )
ωω
π
−ω
ω−ω
ω+
π
=
SSS
S
t
cosxsen
coscos
xcosbxaxr
180
24
(17)
(
)
ο
60501604090 −ω+=
S
xsen,,a
(18)
(
)
ο
604767066090 −ω−=
S
xsen,,b
(19)
Assim, a cada par de horas, a radiação solar incidente horária na placa coletora é calculada
pela expressão:
( )
(
)
(
)
β−
ρ+
β+
+−=
2
1
2
1 cos
Hr
cos
IRIHrI
gtdbdtT
(20)
Onde:
I
T
= radiação solar global horária em uma superfície inclinada (J/m
2
).
2.2 – PRINCIPAIS COMPONENTES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
Os sistemas de aquecimento utilizando a energia solar são constituídos essencialmente pelos
dispositivos:
a) Placas coletoras (coletores solares);
b) Tanque de armazenamento (reservatório térmico);
c) Equipamento de energia auxiliar.
2.2.1 – Coletores Solares
Os coletores solares térmicos são dispositivos responsáveis pela captação da radiação solar e
sua conversão em calor a um fluido para seu posterior aproveitamento. Esses coletores estão
assim divididos:
22
2.2.1.1 – Coletores Solares de Concentração
Mediante o uso dos métodos de concentração da óptica, são capazes de elevar a temperatura
do fluido a mais de 70
o
C. São aplicados quando é desejável obter temperaturas bastante
elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. No projeto americano, a energia
solar absorvida no campo de espelhos aquece um circuito de óleo sintético a 400
o
C. Essa
temperatura é usada para pré-aquecer a água, produzindo o vapor que move turbinas e
geradores (CARRARO, 1988). A principal complicação que apresentam é a necessidade de
um sistema de acompanhamento para conseguir que o coletor esteja permanentemente
apontado em direção ao Sol. Esses concentradores solares podem ser cilíndricos, onde sua
superfície refletora é a metade de um cilindro ou parabolóides cuja superfície refletora
apresenta uma geometria de parabolóide de revolução (Figura 14).
Figura 14 – Coletores solares de concentração. Fonte:
HUDSON; MARKELL, (1985)
Um dos problemas encontrados neste tipo de coletor é a diferença de temperatura
circunferencial dos tubos do absorvedor que podem conduzir a fadiga do material.
ALMANZA; LENTZ; JIMÉNEZ (1997) obtiveram bons resultados de condutividade térmica
e transferência de calor com a substituição de tubos absorvedores de aço por tubos de cobre,
possibilitando dessa forma eliminar a fadiga térmica nas paredes dos mesmos.
2.2.1.2 – Coletores Solares sem Concentração
Utilizados, geralmente, para aquecimento de água, a temperatura é relativamente baixa
(inferiores a 100ºC). AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATION AND AIR
CONDITIONIG ENGINEERS – ASHRAE (1996) alerta que a relativa eficiência diminui
23
rapidamente acima de 71ºC. Estes coletores se caracterizam por não possuir métodos de
concentração, por isso a relação entre a superfície do coletor e a superfície de absorção é
praticamente a unidade.
O uso desses coletores ocorre predominantemente no setor residencial, mas há demanda
significativa e aplicações em outros setores, como edifícios públicos e comerciais. Os
coletores solares sem concentração podem então ser assim classificados de acordo com seus
usos preponderantes:
- Coletores de ar: são coletores de tipo plano cuja principal característica é ter o ar como
fluido portador do calor. Não têm uma temperatura máxima limite (os processos convectivos
têm uma menor influência no ar) e trabalham melhor sob condições de circulação normal. No
entanto, possuem uma baixa capacidade calorífica e o processo de transferência de calor entre
placa e fluido é ruim. Sua aplicação principal é o aquecimento.
- Tubos de calor: possuem uma simetria cilíndrica e são formados por dois tubos
concêntricos, um exterior de vidro e um interior pintado de preto ou com tinta seletiva. O
fluido circula pelo tubo interno. Sua aplicação principal é o aquecimento.
- Coletores de vácuo: possuem uma cobertura dupla envolvente, hermeticamente fechada,
isolada do interior e do exterior, e na qual foi feito o vácuo. Sua finalidade é a de reduzir as
perdas por convecção. São mais caros, além de perder o efeito do vácuo com o decorrer do
tempo. Sua aplicação principal é a produção de água quente sanitária e climatização de
piscinas.
- Coletores cônicos ou esféricos: sua principal característica é que constituem
simultaneamente a unidade de captação e de armazenamento. Sua superfície de captação é
cônica ou esférica com uma cobertura de vidro da mesma geometria. Com essas geometrias
consegue-se que a superfície iluminada ao longo do dia, em ausência de sombra, seja
constante. Sua instalação é simples, mas apresentam problemas de estratificação da água e a
superfície útil de captação é pequena. Sua aplicação principal é a produção de água quente
sanitária.
24
- Coletor solar de placa plana: em geral, um coletor de placa plana atua como um receptor que
coleta a energia procedente do Sol e esquenta uma placa. A energia armazenada na placa é
transferida ao fluido. Normalmente, esses coletores possuem uma cobertura transparente de
vidro ou plástico que aproveita o efeito estufa, formado por uma série de tubos de cobre, que
absorvem a radiação solar e a transmitem ao fluido que atravessa seu interior.
Sua aplicação é a produção de água quente, climatização de piscinas e aquecimento. Sendo o
coletor de placa plana, objeto deste presente estudo e sobre o qual será desenvolvida toda a
parte experimental, já que eles são os mais apropriados as necessidade de geração de água
quente para fins residenciais, será feita uma breve descrição apenas dos seus componentes. O
coletor solar plano para aquecimento de água que permite transformar a energia solar sob a
forma de radiação eletromagnética em energia térmica está representado na Figura 15 e o
esquema de trocas de energia que ocorrem no mesmo está representado na Figura 16.
Figura 15 – Seção típica de um coletor de superfície plana. Fonte: JULIANA,
2004
Figura 16 – Esquema de trocas de energia no coletor. Fonte: ZILLES, 1987
25
“De forma sumária, a absorção de calor pelas placas planas ocorre
da seguinte forma: os raios solares incidem, através da cobertura
de vidro. Parte da radiação é refletida por esta cobertura, e parte
absorvida, esquentando-a. Mas, a grande parte é refratada e incide
sobre a superfície negra absorvedora. Esta se aquece e parte do
calor é conduzida para a malha ou serpentina de tubos onde
circula a água, que recebe este calor por convecção.
A cobertura de vidro superior diminui as perdas de calor por
convecção natural com o ar e é opaca à radiação de raios
infravermelhos da superfície absorvedora (efeito estufa). Isto faz
com que parte das perdas por radiação desta superfície seja re-
irradiada de volta para a mesma.
Abaixo da superfície negra e dos tubos, existe uma camada de
material isolante térmico. Este conjunto é fechado em uma caixa,
que também auxilia no isolamento térmico” (BORGES, 2000,
p.11).
Tanto o tubo como os coletores são constituídos por metais que possuem alta condutividade
térmica como o cobre, alumínio ou aço. A face da placa coletora exposta ao sol deve estar
protegida dos raios solares de modo a aumentar a eficiência de absorção da placa por meio de:
tinta preta ou escura, que absorve a radiação solar, esta pode absorver até 95% da energia
disponível (HUDSON; MARKELL, 1998).
Entretanto, apresenta o inconveniente de ter um coeficiente de emissão sensivelmente igual ao
de absorção, portanto não é recomendada para altas temperaturas. O material isolante deve
resistir a altas temperaturas sem se deteriorar. ASHRAE (1996) recomenda que o material
isolante do coletor deva ser capaz de resistir a temperaturas de até 204ºC (400ºF) sem
produzir substâncias voláteis. Esse material deve também, suportar a umidade que possa ser
produzida no interior dos painéis sem perder as suas qualidades. Os materiais mais utilizados
são:
fibra de vidro;
espuma rígida de poliuretano;
poliestireno expandido.
Qualquer material que seja empregado deve ter seu coeficiente de dilatação compatível com
os demais componentes do painel solar.
26
MOHAMAD, (1997) desenvolveu um trabalho sobre o coletor integrado, onde um tanque de
armazenamento e o coletor solar formam um único conjunto (ver Figura 17). Esse tipo de
sistema apresenta as vantagens de eliminação de isolação extra, eliminação da canalização e
soldas, construção simplificada. Esse estudo apresentou uma eficiência de 50%, que é
comparada com a eficiência dos sistemas com coletores convencionais.
Figura 17 – Diagrama esquemático do coletor solar de
superfície plana integrado ao tanque de armazenamento. Fonte:
MOHAMAD, 1997.
TSILINGIRIS (1997) também desenvolveu um trabalho sobre coletores solares, substituindo
a serpentina que é formada por tubos metálicos por uma lâmina de água escoando em uma
bolsa plástica. Seu resultado foi de aproximadamente 45 a 70% de eficiência diária para
espessuras internas de bolsa entre cinco e vinte centímetros. Dessa forma, na instalação desses
coletores, os aspectos que devem ser considerados para um melhor aproveitamento da energia
são:
Orientação geográfica;
Ângulo de inclinação com a horizontal e
Não sombreamento.
2.2.1.2.1 – Caracterização da Placa Plana Coletora
O desempenho do coletor solar além dos fatores ópticos depende também das perdas de calor
adquirido e da temperatura do fluido que entra no coletor. Assim, uma placa plana coletora
pode fornecer um calor útil definido pela equação abaixo:
27
( )
cicp
u
TTcmQ −=
••
0
(21)
Onde:
u
•
Q
= calor útil transferido para o fluido circulante (W);
•
m
= fluxo de massa do fluido (kg/s);
c
p
= calor específico do fluido (kJ/kg.
o
C);
T
ci
= temperatura de entrada do fluido no coletor (
o
C);
T
co
= temperatura do fluido que sai do coletor (
o
C).
O desempenho térmico do coletor solar plano operando em regime permanente pode então ser
calculado pela expressão de Hotell-Whillier:
( ) ( )
[ ]
aciL
e
Trc
u
TTUIFAQ −−τα=
•
(22)
Sendo:
( )
( )
[ ]
{ }
aciLc
cicop
r
TTUSA
TTcm
F
−−
−
=
•
(23)
e
( ) ( )
(
)
( ) ( )
(
)
β−
+ταρ+
β+
τα+τα=
2
1
2
1 cos
II
cos
IRIS
db
g
g
d
d
b
bb
(24)
Onde:
A
c
= área útil da placa plana coletora (m
2
);
F
r
= fator de remoção de calor da placa plana coletora (adimensional);
S = radiação absorvida pela placa plana coletora por unidade de área (J/m
2
);
I
T
= taxa de radiação solar incidente na superfície da placa plana coletora com inclinação
β
(W/m
2
);
I
b
= radiação solar direta horária (J/m
2
);
I
d
= radiação solar difusa horária (J/m
2
);
R
b
= razão entre a radiação direta horária na superfície inclinada pela radiação direta no plano
horizontal (adimensional);
τ
= transmitância da cobertura de vidro (decimal);
α
= absorbância da superfície negra da placa plana coletora (decimal);
(
τα
) = produto transmitância-absorbância efetivo (decimal);
(
τα
)
b
= produto transmitância-absorbância devido à radiação direta (decimal);
28
(
τα
)
d
= produto transmitância-absorbância devido à radiação difusa (decimal);
(
τα
)
g
= produto transmitância-absorbância devido à reflexão do solo (decimal);
U
L
= coeficiente global de perdas de calor da placa plana coletora (W/m
2
.
o
C);
T
a
= temperatura ambiente (
o
C).
ρ
g
= refletividade do solo (decimal).
Segundo DUFFIE; BECKMAN (1991) o fator de remoção de calor é definido pela equação
algébrica 2.23 a qual relaciona o ganho real da energia útil do coletor dividido pelo ganho útil
de calor se toda a superfície coletora estiver na temperatura do fluido que entra no coletor.
Alternativamente pode-se calcular a radiação absorvida por unidade de área utilizando a
seguinte expressão abaixo:
(
)
T
.av
IS τα=
(25)
que segundo DUFFIE; BECKMAN (1991) pode-se assumir:
(
)
(
)
b.av
, τα≅τα 960
(26)
Onde:
I
T
= é a radiação solar global horária em uma superfície inclinada (J/m
2
);
(
τα
)
av.
= produto transmitância-absorbância médio (decimal);
A eficiência de um coletor solar é cuja definição proposta por BORGES (2000, p.16): “a
eficiência de um coletor solar pode ser definida como a razão entre o ganho de calor útil pelo
fluido e a radiação incidente sobre a superfície do coletor em um dado intervalo de tempo”,
está abaixo representada:
c
IA
Q
•
=η
(27)
( )
c
cicop
IA
TTcm −
=η
•
(28)
29
( )
(
)
I
TTUF
F
aciLr
e
r
−
−τα=η
(29)
Onde:
U
L
= depende da temperatura e da velocidade do vento;
F
r
= depende levemente de UL;
(-F
r
U
L
) e F
r
(
τα
)
e
= obtidos através de uma regressão linear com os parâmetros de vazão,
temperatura de entrada e saída do coletor (T
ci
e T
co
), temperatura ambiente (T
a
) e radiação
incidente (I).
A Figura 18 apresenta a forma mais utilizada para representar estes parâmetros. Nesta figura,
é apresentada a curva de eficiência onde no eixo das abscissas temos
−
I
TT
aci
e nas
ordenadas temos o rendimento
η
.
A inclinação dessa reta é o parâmetro (-F
r
U
L
) e a interceptação com o eixo das ordenadas é o
parâmetro F
r
(
τα
).
Figura 18 – Curva de eficiência para coletor solar. Fonte:
ABRAVA, 2008
30
Para analisar a eficiência de um coletor solar foi utilizada a definição da primeira Lei da
Termodinâmica. A produção diária de energia dos sistemas de aquecimento solar pode ser
dada pela seguinte equação:
(
)
A
TTcV
PEE
esp
.
3600
...
−
=
ρ
(30)
Onde:
A = área coletora transparente, m
2
;
c
p
= calor específico da água, kJ/kg.K;
ρ
= massa específica da água, kg/m
3
;
V = volume do reservatório térmico no período ensaiado, m
3
;
PEE = produção específica de energia, kWh/m
2
.dia;
T
s
= temperatura final da água na saída no coletor solar, ºC;
T
e
= temperatura de entrada da água no coletor solar, ºC.
A partir da equação (2.27) acima é possível calcular a energia específica produzida por
unidade de área por cada um dos sistemas de aquecimento solar ao longo de todo o dia. Para
calcular a eficiência térmica, segue-se a equação:
%100
.
x
dtG
PEE
∫
=
η
(31)
Onde:
G = radiação solar incidente no plano inclinado, W/m
2
;
η
= rendimento térmico do sistema de aquecimento solar.
Com base nas equações apresentadas de (27) a (31) é possível estimar importantes parâmetros
do coletor solar. É importante salientar que para o cálculo proposto é necessário que sejam
conhecidos os seguintes parâmetros:
•
Volume do reservatório térmico;
•
Temperatura final do sistema de aquecimento solar;
•
Temperatura inicial do sistema de aquecimento solar;
•
Área transparente do coletor solar;
•
Radiação solar incidente no plano inclinado;
31
Uma vez definido o modelo de reservatório térmico e coletor solar a ser usado no ensaio,
haverá necessidade de monitorar as temperaturas finais e iniciais em cada sistema e a radiação
solar incidente no plano inclinado. O restante das variáveis não necessita ser monitoradas,
apenas conhecidas.
Segundo DUFFIE; BECKMAN é bastante importante saber o valor da demanda que está
sendo requerida pela energia fornecida pelo sol, já que nas análises econômicas do
desempenho de sistemas de aquecimento em longo prazo é conveniente representar a
contribuição da energia solar em relação à carga total em termos fracionais. Assim, a fração
solar é representada pela equação:
F = Energia fornecida pelo sol
Energia total demandada para o aquecimento
(32)
2.2.2 – Tanque de Armazenamento (Reservatório Térmico ou Boiler)
O reservatório térmico é o componente responsável pelo armazenamento da energia gerada
pelos coletores solares na forma de água quente. Tem a função de uma garrafa térmica,
armazenando a água quente durante horas e até dias já que o período de consumo não
coincide com o período de geração.
Um reservatório Térmico ou Boiler é composto basicamente por um tanque fabricado com
material resistente a corrosão, uma camada isolante e uma capa para a proteção do isolante.
Normalmente o equipamento vem dotado de uma ou mais resistências elétricas ou esperas
para interligação com um sistema de aquecimento auxiliar. Os seguintes aspectos devem ser
considerados quando da escolha/projeto dos reservatórios térmicos:
- Forma e disposição do reservatório térmico;
- Resistência do conjunto à máxima pressão e temperatura;
- Tratamento interno de materiais em contato com água para banho;
- Isolamento e proteção para evitar perdas de calor;
- Situação de conexões de entrada e saída;
32
- Medidas para favorecer a estratificação
4
e evitar a mistura de água fria com quente;
- Previsão de corrosões e degradações.
ASHRAE (1996, p. 33.11) afirma que “o projeto e seleção do equipamento de
armazenamento é um dos elementos mais negligenciados nos sistemas de energia solar”. Esse
estudo utilizará o tanque de armazenamento térmico na horizontal, pois o mercado brasileiro
disponibiliza esse tipo de sistema para aquecimento com energia solar mesmo ASHRAE
(1996) recomendando utilizar tanques na vertical, pois esta configuração salienta a
estratificação térmica.
Uma ilustração de um sistema solar de aquecimento de água é representada na Figura 19
abaixo.
Figura 19 – Ilustração de um sistema solar de aquecimento de água. Fonte:
SOLETROL, 2007.
4
Petrucci (1998, p. 19) explica que: “devido à variação do peso específico da água em função da temperatura, a
água que entra no tanque, em temperatura mais baixa que aquela que se encontra em seu interior, tende a se
posicionar abaixo desta. A este fenômeno dá-se o nome de estratificação, pois a água se dispõe no interior do
tanque como que camadas, segundo suas temperatura (ou densidades)”.
33
2.2.3 – Equipamento de Energia Auxiliar
Este sistema deve ser desenhado e calculado de forma a atender toda demanda de água
quente. Mas, esse sistema dificilmente consegue fornecer 100% da demanda de água quente.
Se esse critério for adotado, o dimensionamento das placas coletoras e do tanque de
armazenamento deveria ser projetado para operarem na pior situação possível (tempo mais
frio e nublado). Este dimensionamento resultaria então num sistema superdimensionado para
a maior parte do tempo de utilização.
Devido a isto, conforme FISH; GUIGAS; DALENBACK (1998), o sistema para aquecimento
solar é projetado de forma a atender entre 50 e 70% da demanda global de aquecimento. A
finalidade da energia auxiliar num sistema solar de aquecimento de água é o de manter a água
de consumo num nível de temperatura mínimo requerido. Dessa forma, uma fonte alternativa
de calor é necessária quando se tem períodos sem insolação suficiente. Dentre as maneiras de
se introduzir a energia auxiliar no sistema, destaca-se a resistência elétrica, a gás e caldeiras a
óleo e a lenha, mas a mais utilizada é a resistência elétrica. Esse aquecimento auxiliar pode
ser realizado internamente ou externamente ao reservatório, quando externo pode ser de
acumulação (mais usual) ou de passagem. Essas diferentes maneiras são representadas na
Figura 20.
Figura 20 – Esquema de localização da energia auxiliar. Fonte: TREIS, 1991
“-
Modo C
: aquecedor auxiliar externo ao reservatório, a energia
pode ser transferida diretamente a água da rede de abastecimento.
O posicionamento do aquecedor em relação ao reservatório
permite que, através de um “by-pass”, sejam supridas as
condições de consumo quando a energia solar acumulada for
34
insuficiente. Isso por outro lado, resulta numa desvantagem, pois
se a energia acumulada não for aproveitada ela será perdida pelo
reservatório.
-
Modo B
: aquecedor do tipo passagem, que aproveita
integralmente a energia acumulada no reservatório. Assim, como
no C, este esquema requer alta potência de aquecimento, já que
gera calor no instante do consumo.
-
Modo A
: aquecedor interno (mais utilizado no Brasil).” (TREIS,
1991).
A avaliação do funcionamento de um sistema de aquecimento solar interno e externo ao
reservatório térmico através da porcentagem de participação do aquecimento solar no total
aquecido foi avaliada por SHARIA; LÖF (1997) obtendo:
a) Num perfil de consumo contínuo e das 6 às 24h posição da fonte auxiliar de
energia não influencia a participação do aquecimento solar;
b) No perfil de consumo uniforme e contínuo durante 10h e perfis de consumo
concentrado no período da manhã ou da tarde aquecimento auxiliar posicionado
para fora do tanque de armazenamento de água quente (mais vantagem);
c) Dobrar o volume do fluido armazenado em qualquer caso aumentou no máx. 50%
da participação do aquecimento solar no total aquecido;
d) Quando se exigiu um aumento da temperatura na saída do reservatório de 60ºC para
80ºC participação do aquecimento solar no total aquecido, reduziu e 30 a 40%.
O acoplamento a uma instalação solar leva em consideração os seguintes aspectos:
- A temperatura de saída do boiler solar pode variar em uma ampla margem.
- O sistema de aquecimento auxiliar não deve interferir no processo de aproveitamento da
radiação solar.
- Deve ser otimizado o acoplamento para conseguir o máximo rendimento do conjunto. Para
isso é preciso que a água, no sentido de circulação, seja aquecido primeiro no boiler e
depois passar pelo sistema auxiliar antes de ser consumida.
35
2.3 – SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR ENERGIA SOLAR
Esses sistemas de aquecimento de água utilizando a energia solar podem ser divididos de
acordo com o seu princípio de funcionamento em:
- Sistema passivo direto;
- Sistema passivo indireto;
- Sistema ativo direto e
- Sistema ativo indireto.
2.3.1 – Sistema Passivo Direto
São também chamados de sistemas com circulação natural ou ainda por termossifão. Neste
sistema não se utiliza bomba para circular o fluido de trabalho. O processo de circulação
ocorre quando o sol aquece o fluido no coletor, tornando-o dessa forma menos denso que o
fluido contido no fundo do reservatório, assim cria-se uma circulação convectiva do fundo do
reservatório para a entrada do coletor, da entrada para a saída do coletor e da saída do coletor
para o topo do reservatório.
Essa diferença de pressão criada pelos gradientes de temperatura é utilizada para produzir o
escoamento do fluido aquecido sem qualquer outra fonte externa de energia, a não ser a do
sol. Esses tipos de sistemas são os mais utilizados para o caso brasileiro devido a sua
simplicidade de funcionamento e muitas vezes mais conveniente devido ao nosso clima,
principalmente quando se trata de sistemas pequenos e de uso doméstico (ver Figura 21).
Figura 21 – Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia
auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente. Fonte: JULIANA, 2003.
36
Esse sistema possui uma particularidade que é a necessidade do reservatório estar sempre
acima do nível dos coletores o que pode provocar algumas dificuldades com relação à
arquitetura e a estética da edificação. Essa configuração é importante para que não haja a
recirculação noturna, isto é, para que o fluido escoe em sentido contrário ao desejado.
2.3.2 – Sistema Passivo Indireto
Em paises de clima tropical, um problema encontrado é o de como evitar o congelamento do
fluido de trabalho nos coletores instalados em lugares sujeitos a baixa temperatura. O sistema
indireto é utilizado quando se é necessária à proteção contra o congelamento afirmam
HUDSON; MARKELL (1985, p.25).
Os fluidos refrigerantes mais utilizados são os etilenos-glicol e o propileno-glicol. A Figura
22 representa um sistema passivo indireto.
Figura 22 – Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia
auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente. Fonte: JULIANA,
2003.
2.3.3 – Sistema Ativo Direto
Neste sistema é utilizada uma bomba para impulsionar de forma controlada o fluido de
trabalho pelo circuito. Dessa forma, o reservatório pode ser instalado em qualquer altura em
relação aos coletores (ver Figura 23). Todo sistema ativo possui um tipo de controle que
aciona a bomba sempre que a energia solar estiver disponível e a desative quando não. Deve
operar com intervalos que possibilitem o máximo desempenho do sistema e em condições
estáveis de funcionamento.
37
Figura 23 – Esquema simplificado de um sistema ativo direto. Fonte: TREIS, 1991.
2.3.4 – Sistema Ativo Indireto
Dependendo do trocador utilizado (pode ser interno ou externo ao reservatório), esse sistema
pode utilizar uma ou duas bombas. Sendo o trocador localizado externamente ao reservatório,
este possibilita uma maior flexibilidade, mas, provoca maior perda de calor, para isto são
necessárias duas bombas de forma a executar a circulação dos fluidos. Quando este é interno
ao reservatório térmico é necessária apenas uma bomba de recalque.
Figura 24 – Esquema simplificado de um sistema ativo indireto. Fonte: TREIS, 1991
Este trabalho tem por objetivo investigar a viabilidade técnica e econômica da substituição de
chuveiros elétricos por sistemas de coletores solares em residências para isso este estudo será
desenvolvido em torno de um sistema passivo direto, ou como é habitualmente chamado:
sistema por termossifão. O reservatório será de configuração horizontal e a fonte de energia
auxiliar será a resistência elétrica com o resistor localizado dentro do tanque de
armazenamento.
38
2.4 – CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
É importante compreender o conceito de conservação de energia elétrica. Conservar energia
elétrica quer dizer melhorar a maneira de utilizar a energia, sem abrir mão do conforto e das
vantagens que ela proporciona. Significa diminuir o consumo, reduzindo custos, sem perder,
em momento algum, a eficiência e a qualidade dos serviços.
Segundo a ELETROBRÁS (2008), a conservação da energia elétrica leva à exploração
racional dos recursos naturais. Isso significa que, conservar energia elétrica ou combater seu
desperdício é a fonte de produção mais barata e mais limpa que existe, pois não agride o meio
ambiente. Desta forma, a energia conservada, por exemplo, na iluminação eficiente, num
motor e projeto bem dimensionado, pode ser utilizada para iluminar uma escola ou atender
um hospital, sem ser jogada fora.
A conservação da energia existe no Brasil desde meados da década de 80 quando foram
criados os programas nacionais: o Programa ao Combate de Desperdício de Energia Elétrica -
PROCEL (eletricidade) e o Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do
Petróleo - CONPET (derivados de petróleo).
A abrangência do Procel foi facilitada em parte pela participação das concessionárias de
energia elétrica. No Estado de São Paulo, a Companhia Energética de São Paulo – CESP,
Eletricidade de São Paulo (ELETROPAULO) e a Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL)
caracterizaram-se pela publicação e distribuição de manuais destinados as escolas sobre o uso
de material didático – PROCEL NA ESCOLA, treinando professores em busca da
disseminação multidisciplinar referente aos conceitos ligados à energia e seu uso.
A formação da Agência para Aplicação de Energia, a qual elaborou várias publicações
relacionadas ao uso energético de forma mais ampla foi formada pelas três concessionárias
citadas acima mais a Companhia de Gás de São Paulo – COMGÁS.
O Conpet, composto por representantes de órgãos do Governo Federal e da iniciativa privada,
apoiado pela Petrobras a qual engloba o programa em sua estrutura organizacional, foi criado
em junho de 1991. O objetivo deste programa era ganhar uma eficiência em torno de 25%
PETROBRAS (2000) já que o consumo de petróleo e seus derivados incide principalmente no
setor de transporte de cargas e passageiros, representando em torno de 50% do consumo
39
nacional, o qual existe um potencial de economia de 30%. Para atingir seu objetivo, foram
dispostos manuais e vídeo os quais forneciam informações referentes ao bom uso do petróleo
e seus derivados. Sua área de atuação envolve as atividades institucionais – O CONPET NA
ESCOLA, de transportes – Projeto Economizar, industriais (melhorias ambientais e aumento
de competitividade na produção), residenciais e comerciais (uso de etiquetas que indicam a
eficiência de equipamentos), agropecuário (uso do óleo diesel) e geração de energia
(termelétricas).
Embora outras iniciativas anteriores tivessem ocorrido, esses dois programas foram a maior
expressão do interesse do governo federal e uma manifestação favorável de se estabelecer
uma política pública para a área de energia que incorporasse a necessidade de controlar a
demanda de energia.
LA ROVERE (1985) e DIAS (1999) nos dizem que a conservação de energia passa por seis
níveis de intervenção de modo a preservar o conforto, a qualidade de vida e as necessidades
dos meios de produção:
−
Eliminação de desperdícios;
−
Aumento da eficiência das unidades consumidoras;
−
Aumento da eficiência das unidades geradoras;
−
Reaproveitamento dos recursos naturais, pela reciclagem e redução do
conteúdo energético dos produtos e serviços;
−
Rediscussão das relações centro/periferia, no que tange ao transporte e à
localização de empresas produtoras e comerciais;
−
Mudança dos padrões éticos e estéticos, a partir dos quais a sociedade poderia
penalizar os produtos e serviços mais energointensivos em favor de sua
cidadania.
Para contar com uma atuação mais efetiva da sociedade relacionada aos aspectos energéticos
nos níveis de intervenção, é preciso primeiramente que a mesma tenha o mínimo de
conhecimento acerca do modo como os sistemas energéticos participam no seu dia a dia.
Quais são suas implicações no meio ambiente e de que forma isso resulta em economia de
capital e de reservas.
40
As principais características dos consumidores que procuram equipamentos eletrodomésticos
são: a qualidade, a marca e o preço. O consumo desses eletrodomésticos não são as maiores
preocupações, principalmente para as classes de maior poder aquisitivo. Quando na verdade,
as formas de ação dos consumidores quanto à conservação de energia enquadram-se nas mais
simples possíveis como: desligar as lâmpadas e televisores quando não utilizados.
O processo de assimilação dos conceitos referentes à energia e seu uso vai além de programas
de conscientização, pois este está também relacionado com a faixa etária, sexo e diferenças
sociais, culturais e regionais. A população brasileira em sua grande maioria não compreende
ainda os conceitos relacionados à energia e ao seu melhor uso, apesar dos programas de
Conservação de Energia. Diferente da esfera industrial que recebeu uma grande pressão e
suporte do Governo e de outras instituições para uma melhor adequação referente ao uso da
energia, apresentando assim uma melhor condição diante do cenário nacional.
Segundo FURLANETTO (1999) os programas brasileiros de conservação de energia elétrica
no ambiente residencial desde seus primórdios no início de 1980, tem tentado de formas
diferentes melhorar o rendimento energético dos eletrodomésticos (etiquetas, pesquisas, etc.)
e também ajudar os consumidores a escolher equipamentos mais econômicos sob o ponto de
vista de consumo de energia elétrica. Os passos, no sentido de melhorar a conservação de
energia no ambiente residencial, têm sido dados e são necessários. O crescimento do
consumo residencial é realmente preocupante, portanto, não basta somente os órgãos
governamentais criarem legislação á respeito. É fundamental que os consumidores tomem
conhecimento e saibam o que eles podem realmente obter de benefício, com o uso de
equipamentos mais eficientes, que promovem a conservação de energia.
O sistema de aquecimento solar é uma forma de conservar a energia elétrica. Sua utilização
tem contribuição sobre quatro aspectos principais: aspectos tecnológicos, econômicos, sociais
e ambientais.
Aspectos Tecnológicos: o crescente número de chuveiros elétricos já instalados no Brasil nos
últimos 30 anos devido às suas vantagens de aquisição e baixo custo de instalação dificulta a
troca destes sistemas por outros tipos de aquecedores de água que utilizam outras fontes de
energia. Uma pesquisa realizada pela Companhia Paulista de Força e Luz – CPFL (1997)
mostrou que a quase totalidade (98,3%) das residências opta pelo uso de chuveiros elétricos
para aquecimento da água para banho, existindo em média 1,06 chuveiros por domicílio,
41
sempre com predominância de uso em horário de ponta. A pesquisa de posse de
eletrodomésticos e hábitos de consumo realizado em 2005 pelo PROCEL, identificou que o
chuveiro elétrico está presente em 73,1% dos domicílios brasileiros, conforme apresentado na
Figura 25 abaixo.
Figura 25 – Domicílios que possuem pelo menos um chuveiro elétrico no Brasil e regiões. Fonte:
MME, 2008
As informações relacionadas ao aquecimento de água, em especial para o banho, são
extremamente importantes para as ações direcionadas de eficiência energética. Além do
chuveiro elétrico, existem outras formas de aquecimento de água para banho com pequenas
participações nas regiões do Brasil, ver Figura 26.
Figura 26 – Fonte utilizada para aquecimento de água para banho. Fonte: MME, 2008
42
A pesquisa do Procel demonstrou que 80,9 % dos domicílios brasileiros aqueciam a água do
banho de alguma forma, e 18,2% não aqueciam. A Figura 27 aponta que 73,5% dos sistemas
de aquecimento utilizavam energia elétrica como fonte de aquecimento e 5,9% utilizavam
gás. Apenas 0,4% usavam aquecimento solar. É importante salientar que, dos sistemas que
usavam energia elétrica como fonte de aquecimento, o chuveiro elétrico respondeu pela quase
totalidade, com a parcela de 99,6%. Quanto aos domicílios, dos que utilizavam o gás como
fonte, 57,6% o fazia por meio de gás canalizado (de rua) e 42,4% por GLP (botijão de gás).
Como o objetivo desta pesquisa é buscar a conservação da energia elétrica de forma a reduzir
o seu consumo residencial sem perder o conforto dos usuários, contribuindo dessa forma na
diminuição do problema da demanda de potência no horário de ponta. Isso é um exemplo de
eficiência energética pelo lado da demanda.
O Gerenciamento pelo Lado da Demanda - GLD é o conceito de controlar as cargas do lado
do consumidor de forma de operar o sistema mais eficientemente COSTA et al., (2007). O
principio básico é deslocar a demanda desde intervalos de tempo onde a energia tem um preço
elevado para outros quando o preço da energia é menor. Os intervalos mais caros geralmente
correspondem a períodos de pico de demanda, sendo que o GLD tende a diminuir a diferença
entre picos e vales na curva de demanda COSTA et al.,(2007).
Os programas de GLD objetivam reduzir os picos de demanda postergando dessa maneira os
custos associados de Geração, Transmissão e Distribuição - GTD, em horário de pico e os
custos de expansão da rede. O conhecimento das particularidades e características do uso final
da energia é fundamental para que as concessionárias de energia utilizem esses programas de
GLD. São ações implementadas diretamente ou estimuladas indiretamente pela
concessionária de energia, sobre o mercado no sentido de modificar e racionalizar a forma
com que a energia é utilizada pelos consumidores.
Através dessas técnicas é possível diminuir o pico de demanda, ou até mesmo deslocá-lo
quando for necessário. No Brasil, o pico de demanda nacional é noturno, entre 18:00 e 21:00
horas, ocasionado basicamente pelo consumo residencial, sendo o chuveiro elétrico o maior
responsável por esse consumo, cujo preço é acessível e não requer a instalação de tubulação
de água quente e reservatório térmico.
43
Os principais programas de GLD utilizados são: o corte de ponta (o controle direto de carga e
a tarifação horária são usados para reduzir a demanda durante o período de ponta);
crescimento de demanda estratégica (as concessionárias procuram incentivar a adoção de
tecnologias baseadas em eletricidade para a substituição de equipamentos ineficientes
baseados em combustíveis fósseis ou para melhorar a produtividade do consumidor e sua
qualidade de vida); redução estratégica de carga (as concessionárias adotam programas
focados para incentivar o uso eficiente de energia elétrica com o objetivo de reduzir a
demanda não somente no horário de ponta, mas durante as outras horas do dia. Isso pode
reduzir o custo médio de combustível e postergar a necessidade para adição futura de
capacidade de GTD); preenchimento de vales (esta técnica incentiva o consumidor a usar
mais energia elétrica durante períodos onde a concessionária gera energia a custos mais
baixos); deslocamento de carga (Esta técnica incentiva os consumidores a deslocarem o uso
de energia elétrica do período de ponta para fora da ponta) e flexibilidade de carga (Alguns
programas de GLD são usados para customizar a confiabilidade do serviço de acordo com
necessidades individuais de consumidores.
A Figura 27 apresenta as técnicas utilizadas para alterar a forma da curva de demanda.
Figura 27 – Técnicas para alterar a forma da curva de demanda. Fonte: SALAZAR, 2004
Gerenciamento pelo Lado da Demanda
44
Este programa o qual busca alterar o nível do consumo de energia elétrica através da
substituição de equipamentos mais eficientes ou alternativos, pode considerar a substituição
dos chuveiros elétricos por aquecedores solares, já que os chuveiros elétricos possuem a
maior contribuição no valor da conta de eletricidade para o setor residencial.
Segundo OLIVA e BORGES (1996), o uso do chuveiro elétrico torna-se praticamente
impróprio para o sistema elétrico devido ao seu uso que ocorre principalmente no horário de
ponta, da sua elevada potência (a qual vem aumentando consideravelmente nos últimos anos)
e do seu reduzido período de uso (baixo fator de carga). As Figuras 28 e 29 apresentam as
curvas de carga obtidas na pesquisa de posse de eletrodomésticos e hábitos de consumo
realizado em 2005 pelo PROCEL.
Figura 28 – Curva de carga diária média no Brasil. Fonte: MME, 2008
Figura 29 – Curva de carga diária média na região Nordeste do Brasil. Fonte: MME, 2008
45
Observa-se na Figuras 28 e 29 que o chuveiro elétrico tem uma forte influência na demanda
do horário de pico, considerado o ponto mais crítico do sistema elétrico.
Aspectos Sociais: as fontes alternativas de energia, economicamente, não estão disponíveis
para os consumidores de baixa renda. No Brasil, pode-se dizer que apenas as classes mais
privilegiadas podem desfrutar destes sistemas de aquecimento de água para banho.
Nos países europeus, HEALEY (1997) nos diz que a instalação de um sistema de
aquecimento solar custa em torno de 430 a 645 dólares por metro quadrado de área do coletor,
sem considerar o custo de operação e manutenção durante a vida útil do sistema que fica
aproximadamente acrescido em 12 % ou 64,58 por metro quadrado do custo de instalação do
sistema solar. É importante ressaltar que esses valores podem diferir em relação ao Brasil pelo
custo da mão de obra, os equipamentos e tecnologias dos mesmos. Assim, esses pontos fazem
com que o uso de aquecedores solares seja inviável para uma grande parte da população
brasileira.
O sudeste brasileiro foi à primeira região a mudar esse quadro com a criação do Projeto
Contagem, desenvolvido pelo Green Solar da PUC de Minas (2003) em parceria com o
Procel/Eletrobrás. Este projeto beneficiou 99 famílias do conjunto habitacional do bairro
Sapucaia, em Contagem/MG. Com a troca do chuveiro elétrico por aquecedores solares, os
moradores obtiveram uma economia de 25,5% no uso de energia elétrica.
A concessionária de distribuição do Rio de Janeiro, a Light em 2005 instalou, gratuitamente,
em Nova Iguaçu e Duque de Caxias 2.750 sistema de aquecimento solar para água para os
consumidores de baixa renda.
Aspectos Econômicos: conforme já apresentado nos aspectos tecnológicos, o Brasil apresenta
aumento de demanda de potência no período de 18 e 20 horas (horário de ponta) e o chuveiro
elétrico é responsável por cerca de 60% da carga do sistema nas horas de pico de consumo, o
que acaba aumentando a demanda de energia do sistema. Segundo informações levantadas por
SPRENGER (2007) o baixo fator de carga apresentado pelo chuveiro leva o mesmo a uma
pequena participação no faturamento das concessionárias, mas elevado investimento
associado ao atendimento da demanda máxima. Ainda por SPRENGER (2002), cujos dados
obtidos junto ao O GREEN SOLAR da PUC Minas (2003), tem-se que os chuveiros elétricos
46
possuem uma ampla variação de preços e potências, podendo, nos modelos mais simples e de
menor potência 4.400W, custar cerca de US$ 15,00 e, em modelos mais sofisticados com
controle eletrônico e alta potência 8.200W, atingir valores superiores a US$ 350,00.
CARDOSO et al. (2005) verificou que apesar do baixo custo para o usuário final, para as
concessionárias o uso de um chuveiro elétrico representa valores da ordem de US$ 900,00
para cada chuveiro instalado, considerandos apenas os investimentos na geração.
Aspectos Ambientais: o sol é uma fonte de energia renovável, o aproveitamento desta energia
tanto como fonte de calor quanto de luz, é uma das alternativas energéticas mais promissoras
para a conservação da energia. A principal característica em relação aos outros sistemas de
aquecimento solar em relação aos outros é que este é abundante e permanente, renovável a
cada dia, não polui e nem prejudica o ecossistema. Diferentemente do Gás Liquefeito de
Petróleo – GLP e do Gás Natural que provocam durante seu processamento a queima e
emissão de gás carbônico sendo também fontes esgotáveis.
A energia solar é a solução ideal para áreas afastadas e ainda não eletrificadas, especialmente
num país como o Brasil onde se encontram bons índices de insolação em qualquer parte do
território. Mesmo sendo considerada uma energia limpa por não emanar gases durante o seu
transporte e uso, a energia elétrica possui na sua geração seus maiores problemas ambientais.
Como no Brasil, a geração de eletricidade é predominantemente hidráulica, há questões
bastantes polêmicas referente à inundação de áreas para construção das represas. Seja na
retirada da cobertura vegetal, na destruição dos ecossistemas, na extinção de espécies, na
emanação de gases que contribuem para o aumento do efeito estufa pela fermentação da
matéria orgânica nos reservatório como também nos importantes impactos sociais.
Segundo o Portam Ambiental AMBIENTE BRASIL (2008), para cada metro quadrado de
coletor solar instalado evita-se a inundação de 56 metros quadrados de terras férteis, na
construção de novas usinas hidrelétricas.
Uma parte do milionésimo de energia solar que nosso país recebe durante o ano poderia nos
dar 1 suprimento de energia equivalente a:
−
54% do petróleo nacional;
47
−
2 vezes a energia obtida com o carvão mineral;
−
4 vezes a energia gerada no mesmo período por uma usina hidrelétrica.
A energia solar é importante na preservação do meio ambiente, pois tem muitas vantagens
sobre as outras formas de obtenção de energia, como: não ser poluente, não influir no efeito
estufa, não precisar de turbinas ou geradores para a produção de energia elétrica.
2.5 – VANTAGENS DO AQUECIMENTO SOLAR
Segundo BAPTISTA (2006), a implantação de sistemas solares para aquecimento de água
poderá beneficiar as concessionárias de energia elétrica através de:
−
redução da potência no horário de ponta;
−
deslocamento da energia elétrica conservada em segmentos de baixo consumo
para outros segmentos de mercados produtivos;
−
melhoria do desempenho da concessionária devido ao aumento do fator de
carga, o que leva à otimização da utilização do sistema elétrico e uma maior
rentabilidade na comercialização de energia;
−
melhoria dos serviços prestados aos clientes, pois oferece alternativas
tecnológicas para enfrentar possíveis aumentos de custos decorrentes da
adoção de uma tarifação maior; e,
−
contribuição ao combate à fraude (furto de energia) e à redução de
inadimplência, que tem se tornado uma constante entre os consumidores de
energia elétrica de baixa renda, especialmente nos grandes centros urbanos.
Já o consumidor final, de acordo com
BAPTISTA (2006)
, será beneficiado através da economia
obtida em sua conta de energia elétrica e do maior conforto, principalmente no período de
inverno, pela maior vazão de água quente (já que com os chuveiros elétricos, para se obter água
quente deve-se abrir o registro o mínimo possível). A economia na conta de energia elétrica
significa maior orçamento disponível.
48
A sociedade como um todo também será beneficiada com o incentivo à implantação destes
sistemas, pois, segundo BAPTISTA (2006):
−
há o aproveitamento da energia solar, que é uma fonte gratuita de energia,
abundante e não poluente;
−
há a contribuição para a preservação do meio ambiente por conservar a energia
elétrica, o que pode levar à redução da necessidade de construção de obras de
geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, que causam impactos
ambientais;
−
contribui para a redução das dificuldades para o suprimento de energia e de
potência que eventualmente venham a ocorrer no sistema elétrico nacional nos
próximos anos e para a diversificação da matriz energética;
−
promove a redução da emissão de gases do efeito estufa e outros poluentes,
desde que a geração substituída seja termelétrica de base fóssil; e,
−
cria empregos locais diretos e indiretos. Segundo a ABRAVA a instalação de 1
milhão de aquecedores solares propiciaria a geração de 8.000 novos empregos
na indústria, 14.000 novos instaladores, 4.000 vendedores e distribuidores e
4.000 técnicos de nível médio.
49
CAPÍTULO 3 – CICLO DE VIDA ECONÔMICO
3.1 – ANÁLISE DO CICLO DE VIDA
Segundo HIRSCHFELD (2000), nem sempre um sistema de aquecimento solar que forneça
uma alta fração solar constitui a opção mais econômica. De acordo com BORGES (2000) a
alternativa tecnológica que produz maior eficiência não é necessariamente a que traz maior
economia financeira. Assim, para se dimensionar adequadamente um sistema de aquecimento
solar, devem-se levar em consideração os fatores técnicos e econômicos. Em linhas gerais, um
sistema de aquecimento solar só será viável economicamente quando as economias
proporcionadas pelas reduções no consumo de energia elétrica forem maiores que os custos de
aquisição e operação do sistema.
DUFFIE; BECKMAN, (1991, p. 458) referencia que muitos critérios econômicos são
propostos de modo a avaliar e otimizar sistemas que utilizam a energia solar, mas, mesmo
assim, não existe um acordo universal sobre qual critério deverá ser utilizado. Nesta
dissertação, serão feitas análises do ciclo de vida econômico anualizado: de economia do ciclo
de vida econômico anualizado, tempo e taxa de retorno do investimento. Para tanto, são
apresentadas as seguintes definições:
Custo do ciclo de vida: soma de todos os custos associados com o sistema de aquecimento
solar ao longo da vida útil em valor presente. O custo do ciclo de vida anualizado corresponde
à média anual do fluxo de caixa, onde este varia com os anos, mas, sobre o período de análise
econômica pode ser convertido em uma série de pagamentos iguais em valor presente que são
equivalentes a séries variáveis.
Economia do ciclo de vida econômico: definido como a diferença entre o custo do ciclo de
vida econômico de um sistema convencional e o custo do ciclo de vida econômico de um
sistema que opera com energia auxiliar. Para a economia do ciclo de vida econômico
anualizado, adota-se a mesma definição descrita para o custo do ciclo de vida.
Tempo de Retorno do Investimento
: mede o retorno de determinado investimento realizado e
contabilizado em meses nos quais ele será amortizado para então começar a gerar lucros.
50
Assim, é importante avaliar se a inclusão de um sistema de aquecimento solar de água será
uma boa alternativa econômica.
Considerando o ciclo de vida do equipamento, no início o VPL é
negativo, pois as economias obtidas ainda não compensam o
custo do investimento no sistema solar. Ao longo do tempo, as
economias vão se acumulando e este passa a ser positivo. Quando
o VPL é nulo, as economias obtidas igualam-se ao rendimento
obtido caso o investimento estivesse rendendo à taxa de interesse
comparativa considerada (i). O período decorrido até esta situação
é chamado de período de retorno do investimento (pay back),
sendo que daí para frente o produtor começa a ter lucro. SANTOS
(2004).
DUFFIE e BECKMAN (1991) apresentam os principais lançamentos no fluxo de caixa para o
ciclo de vida de um sistema de aquecimento, que são:
• Custo de aquisição do sistema;
• Custo de instalação do sistema;
• Despesas com combustível (auxiliar);
• Manutenção;
• Valor de revenda (quando existente).
Ainda por DUFFIE e BECKMAN (1991), os custos de um sistema solar instalado (C
s
) podem
ser expressos como a soma de dois termos: um dependente da área coletora (C
A
) e outro
independente da área coletora (C
1
):
C
S
= C
A
A
C
+ C
1
(66)
Para o sistema de aquecimento aqui estudado, temos como custos dependentes da área
coletora o coletor solar e a mão-de-obra necessária para sua instalação e como custos
independentes temos as tubulações que conectam o coletor sistema de armazenamento de
água quente, fria e ao sistema de distribuição.
3.1.1 – Viabilidade Econômica e Financeira
Segundo BORGES (2000), o conceito de valor do dinheiro no tempo utilizado pela
Engenharia Econômica parte do princípio de que toda pessoa é um possível investidor e
possui uma taxa mínima de interesse pela qual ela pode fazer render seu capital, o que faz
51
com que uma determinada quantia no presente assuma valores diferentes ao longo do tempo.
O valor presente de um pagamento simples (receita ou despesa) a ser feito no futuro é dado
pela seguinte equação:
( )
n
i
F
P
+
=
1
(61)
Onde:
P = valor presente do pagamento simples (R$);
F = valor futuro (R$);
i = taxa de interesse (decimal);
n = número de períodos de capitalização (inteiro).
Cada período considerado num sistema de aquecimento solar obtém-se uma economia de
energia elétrica e, consequentemente, de dinheiro. Assim, o fluxo de caixa obtido pode ser
representado de tal forma que as despesas e receitas são consideradas durante vida útil do
sistema. Um desenho esquemático da representação de um fluxo de caixa é apresentado na
Figura 30 abaixo. As despesas estão locadas abaixo e as receitas acima da linha horizontal.
Figura 30 – Desenho esquemático de um fluxo de caixa. Fonte: SANTOS, 2004
Através da Análise de Ciclo de Vida Econômico, são consideradas todas as receitas e/ou
despesas ao longo da vida útil do equipamento. A somatória destes valores (F
n
) durante a vida
útil do sistema (n períodos) trazido há um instante inicial (n=0), e considerando-se uma taxa
de juros comparativa i, é denominado Valor Presente Líquido (VPL).
Esse Valor Presente Líquido determina qual é a alternativa mais favorável quanto à utilização
ou não de sistemas de instalações solares e será a metodologia adotada nesta dissertação para
a tomada de decisão. Segundo PEREIRA (2003), esse método trabalha com os valores de todo
o projeto descapitalizados para o tempo atual utilizando-se a seguinte fórmula:
Custo de aquisição e
implantação do sistema
52
n
i
FV
VPL
+
=
100
1
(62)
Onde:
VPL = valor atual (R$);
FV = valor de um desembolso no futuro (R$);
i = taxa de juros mensal (da poupança ou de qualquer outra aplicação pertinente);
n = período de capitalização.
Para avaliar o Tempo de Retorno do Investimento (TRI), definido como uma taxa mensal a
qual anula o Fluxo de Caixa será realizada conforme o modelo proposto por PEREIRA (2003)
apresentado na equação 63.
( ) ( ) ( ) ( )
n
n
i
E
i
E
i
E
i
E
+
++
+
+
+
+
+
=
1
...
111
0
2
2
1
1
0
0
(63)
Onde:
E = corresponde aos eventos (entradas ou saídas de recursos), os quais ocorrem ao longo do
projeto.
Segundo PEREIRA (2003), a decisão de utilização ou não de aquecedores solares envolve
componentes financeiros e não-financeiros, que são:
•
Componentes Não-Financeiros
− Ameaça do racionamento de energia em períodos de maior estiagem;
− Risco de aumento das tarifas das concessionárias brasileiras de energia elétrica
de modo a compensar as perdas financeiras;
− Risco do corte de energia em determinadas horas do dia.
•
Componentes Financeiros
−
Tipo de cliente: corresponde ao perfil de consumo do usuário;
53
− Número de unidades: quantidade de unidades a serem atendidas pelo sistema
de aquecimento solar as quais podem ser residência unifamiliares ou prédio de
apartamentos;
− Número de usuários: número de pessoas que deverá ser atendida diariamente
pelo sistema de aquecimento solar;
− Consumo médio por morador: volume de água consumido, em média, por
usuário;
− Tempo médio da duração de um banho;
− Potência elétrica do chuveiro;
− Consumo de energia no banho;
− Fração solar: relação entre a energia fornecida pelo sistema de aquecimento
solar e a demanda total de energia requerida para atender o nível de conforto
requerido pelo consumidor final;
− kWh: medida de consumo de energia elétrica a ser substituído pelo sistema de
aquecimento solar;
− Estudo de viabilidade econômica do projeto: valor a ser gasto na instalação e
operação do aquecedor solar o qual permite constatar a sua viabilidade;
− Custos dos equipamentos: valor para compra dos equipamentos, podendo ser à
vista, a prazo ou financiado;
− Custo de operação e manutenção: desembolso a ser realizado periodicamente
para conservação e manutenção do sistema de aquecimento solar;
− Custos adicionais de instalação: valores que não foram calculados no início da
instalação e que possam surgir no decorrer do projeto;
− Previsão do aumento da tarifa de energia elétrica para os próximos anos: é
considerada a expectativa de inflação para os próximos anos;
− Taxa de juros de aplicações financeiras: taxa de remuneração das aplicações
financeiras do usuário, o qual dependerá de seu volume de recursos
disponíveis.
Será apresentada no capítulo 7 a análise econômica da troca do aquecedor elétrico de
acumulação pelo sistema de aquecimento solar desta dissertação.
54
CAPÍTULO 4 – INSTALAÇÃO DO SISTEMA
A instalação de sistemas de aquecimento solar necessita de alguns cuidados especiais.
Instaladores e projetistas devem seguir algumas orientações quanto ao posicionamento dos
painéis, seu grau de inclinação, área disponível para a instalação do sistema, dimensionamento
correto para atender à demanda local, existência de sombras que reduzam o resultado esperado,
verificação da existência de tubulações separadas de águas quente e fria, análise das condições
climáticas locais e as condições de fornecimento de produtos certificados pelo Instituto Nacional
de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - INMETRO.
Os equipamentos utilizados em um sistema de aquecimento solar de água devem operar
satisfatoriamente sob as piores condições possíveis. Assim, os materiais utilizados devem
possuir resistência a altas e baixas temperaturas devido a um provável período de máxima e
mínima radiação solar no coletor ou a não circulação do fluido no mesmo.
Segundo RUDNICK (1986), coletores que são construídos corretamente e instalados de forma
apropriada operam satisfatoriamente por um período de pelo menos 15 anos com pouca
manutenção. Essa afirmação está baseada em um estudo realizado por RUDNICK utilizando
coletores de aço galvanizado tanto na placa coletora como nos tubos, sendo válido supor que
sistemas constituídos de cobre teriam uma vida útil bem superior.
SANTOS e ROSA (2002) cita que quando a instalação do sistema e suas peculiaridades
construtivas (espaço na cobertura e instalações separadas de água fria/quente, principalmente) são
previstas no projeto de novas construções, o investimento pode ser reduzido a menos de 5% do
custo final da edificação completa.
4.1 – ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO
Os coletores solares devem ser instalados com sua face voltada para o norte verdadeiro, que
fica aproximadamente 18º a direita do norte magnético, podendo também aceitar um desvio
de 30º para leste (nascente do sol) ou oeste (poente do sol). A Figura 31 abaixo representa
esta informação.
55
Figura 31 – Representação da orientação e inclinação do
coletor solar como condição de instalação. Fonte: ABRAVA;
2008
A trajetória do sol é de leste para oeste permitindo que o coletor solar orientado para o norte
(no hemisfério sul) receba radiação solar o dia todo. A correta posição do coletor solar,
escolhendo a inclinação e a orientação geográfica garante uma melhor captação da radiação
solar.
Como a demanda por água quente é maior quando a temperatura ambiente é mais fria e nesta
época do ano a densidade de fluxo de radiação solar é a menor do ano por causa da reflexão e
difração dos raios solares na entrada da atmosfera e pelo fato de não se atingir a superfície do
local perpendicularmente, deve-se posicionar os coletores em relação ao plano horizontal
igual à latitude local + 15º. Este ângulo irá garantir um bom rendimento do coletor solar
durante todo o ano. Deve-se ter bastante cuidado com relação aos obstáculos existentes para
que os mesmos não gerem sombras nos coletores ou que os próprios coletores façam sombra
uns nos outros.
Segundo o Manual de Aquecimento Solar da TRANSEN, o ângulo de inclinação nunca
deverá ser inferior que 20 graus para que a velocidade da água nos coletores não seja muito
baixa, prejudicando o rendimento do equipamento. Para isso, em regiões de latitude em que a
somatória dos ângulos permanecer abaixo de 20 graus, adota-se uma inclinação de 20 graus.
56
Figura 32 – Representação da orientação e inclinação do coletor solar. Fonte: ABRAVA; 2008
A definição da inclinação do coletor solar depende da latitude e das condições climáticas do
local, portanto, é variável em função da localização geográfica de cada local. A Tabela 5
apresenta valores de latitudes de algumas capitais brasileiras.
Tabela 5 – Ângulo de inclinação dos coletores solares para os estados do nordeste do Brasil
Fonte: TRANSEN, 2002
Defasagem em relação ao Note 0
o
– 15º Defasagem em relação ao Note 15
o
– 45º
Estados
ANG (Graus) ANG (% = h/c) ANG (Graus) ANG (% = h/c)
Alagoas 25 42,3 20 34,2
Norte da Bahia 26 43,8 20 34,2
Sul da Bahia 30 50,0 20 34,2
Ceará 20 34,2 20 34,2
Norte do MA 20 34,2 20 34,2
Sul do MA 23 39,1 20 34,2
Paraíba 22 37,5 20 34,2
Pernambuco 23 39,1 20 34,2
Norte do Piauí 20 34,2 20 34,2
Sul do Piauí 23 39,1 20 34,2
RN 21 35,8 20 34,2
Sergipe 26 43,8 20 34,2
57
O ângulo de inclinação do coletor solar – ANG (%) citado na Tabela 5 acima pode ser
calculado conforme descrito abaixo:
c
h
Sen =β
(64)
c
a
Cos =β
(65)
a
h
Tan =β
(66)
As Figuras 33 e 34 abaixo apresenta uma ilustração da montagem do sistema por termossifão
utilizada para este estudo.
Figuras 33 e 34 – Ilustração da montagem do sistema por termossifão. Fonte: ABRAVA; 2008
Linha horizontal
Norte
h
c
β
a
58
4.2 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DOS EQUIPAMENTOS
4.2.1 – Coletor Solar
O coletor solar utilizado neste trabalho foi fabricado pela ARKSOL – Modelo ACS 2000. Sua
instalação foi composta por duas unidades do tipo placa-tubos conectada em paralelo. Cada
unidade possui as seguintes características:
Dimensões: 2 m de comprimento e 1 m de largura, possuindo área externa de 2 m
2
e área
transparente de 1,86 m
2
; 07 (sete) tubos em paralelo (diâmetro: 12 mm e espaçamento entre os
tubos de: 125 mm). A grade de suporte dos tubos é conectada por soldagem a uma chapa de
cobre. Esta chapa é pintada com tinta preta fosca, resistente a altas temperaturas.
Todo o sistema: tubos e chapa de cobre, definidos como a placa absorvedora, são montados
em uma caixa de alumínio. A placa absorvedora possui isolamento de 25 mm de espessura de
lã de vidro na sua parte inferior e na parte frontal uma lâmina de vidro de 3 mm de espessura.
Para que todo o sistema se mantenha isento de umidade externa, este coletor utiliza borrachas
de silicone para vedação.
O peso do coletor é de 28 kg e a pressão de operação de 400 kPa. Sua produção mensal de
energia chega a 134 kWh/mês e os testes de desempenho realizado, de acordo com as normas
da ABNT NBR 10184:88 e ASHRAE Standard 93-77:77 mostram uma eficiência de 49%.
Figuras 35 e 36 – Vista do coletor solar montado em residência unifamiliar
59
4.2.2 – Reservatório
O reservatório térmico para armazenamento de água quente, fornecido pela ARKSOL –
Modelo ARSTI H 400 é constituído por um corpo cilíndrico em aço inoxidável, isolado
termicamente com poliuretano. Possui comprimento de 1.390 mm e diâmetro externo de 715
mm. Sua pressão de funcionamento corresponde a 40 kPa. Nas suas laterais encontram-se as
tubulações hidráulicas de água: tubulações de entrada de água: proveniente dos coletores
(retorno) e água fria da rede e tubulações de saída de água: consumo de água quente
residencial e alimentação do coletor.
Figuras 37 e 38 – Vista do reservatório térmico montado em residência unifamiliar
Figuras 39 e 40 – Vista das posições das tubulações hidráulicas de entrada e saída de água do reservatório
térmico
60
Na sua parte superior, encontra-se o suspiro, um tubo vertical com sua extremidade aberta
para o ambiente cuja finalidade é manter a pressão do tanque a pressão atmosférica, como
também servir de ladrão para o caso de transbordamento de água.
4.2.3 – Tubulações e Conexões Hidráulicas
As tubulações utilizadas no sistema de aquecimento são de dois tipos:
• Polipropileno Tubo de polipropileno – Copolímero Random – Tipo 3 PN 20 – Este
tipo, segundo o seu fabricante, Amanco do Brasil, é livre de incrustações e não requer
isolamento térmico. Sua temperatura máxima de serviço é de: 80
o
C, pressão 400 kPa,
diâmetro externo: 25 mm, diâmetro interno: 18 mm e espessura: 3,5 mm;
• Cobre comercial Tudo de cobre comercial – Fabricante Eluma (Hidrolar) – Tipo
Classe E – Diâmetro externo 22 mm.
O comprimento da tubulação que sai da placa coletora e entra no reservatório possui 5,51 m, e
o comprimento da tubulação que sai do reservatório e entra na placa coletora tem
aproximadamente 9,14 m.
4.2.4 – Instrumentação e Sistema para Aquisição de Dados
Os sensores meteorológicos foram instalados na própria base do coletor, a saber: temperatura
ambiente (T
a
,
o
C) e umidade relativa do ar (UR, % - HMP35C, Campbell Scientific, Inc.
USA); Radiação Global (Rg , W - Piranômetro de termopilha de filme fino, tipo estrela -
UNESP, Botucatu, Brasil); velocidade do vento (m/s - RM-Yong 03101-5, Campbell
Scientific, Inc. USA. De forma a avaliar o comportamento térmico do sistema, foram
instalados sensores de temperatura em quatro pontos utilizando-se termopares de cobre-
constantan de tal modo a fornecerem os seguintes dados:
• Temperatura de entrada da água fria da rede no reservatório térmico;
• Temperatura de saída de água do coletor solar;
• Temperatura de saída de água fria na base do reservatório térmico (alimentação dos
coletores);
•
Temperatura de saída para consumo.
61
Figuras 41 e 42 – Apresentação da posição dos sensores para as medições de temperatura
Figura 39 – Pinamômetro, anemômetro e sensor para
temperatura ambiente
Os dados foram obtidos a cada 10 segundos e as médias registradas a cada 10 minutos em um
sistema de aquisição automática “DATALLOGER” (CR–10 Campbel Scientific, USA)
alimentado por um painel fotovoltaico.
Figuras 43 e 44 – Sistema de aquisição de dados DATALLOGER e vista do painel fotovoltaico
Termopar -
temperatura na saída
do coletor
Termopar - temperatura
alimentação do coletor
Termopar -
temperatura água
para consumo
Termopar -
temperatura
água fria da rede
no reservatório
62
CAPÍTULO 5 – ESTUDO DE CASO
Para realização deste estudo, foi escolhida uma residência unifamiliar localizada em
Maceió/AL. O estudo de caso será dimensionado de forma a atender sua demanda de
aquecimento de água para banho. A demanda de água quente é influenciada por vários
fatores, dentre eles: a cultura, o clima, o comportamento dos usuários e as características da
residência.
Segundo ILHA (1991, p.2), “o conhecimento das solicitações impostas pelos usuários
constitui-se numa das premissas básicas para implementação adequada de um sistema predial
de água quente”. Assim, o conhecimento prévio da demanda por água quente é de
fundamental importância para um bom desempenho do sistema de aquecimento.
Devido à dificuldade em estabelecer o perfil de consumo de água quente, este é estudado por
diversos pesquisadores.
De acordo com ILHA (1991) em seu estudo, o aquecimento de água para torneiras, chuveiros
e pias obtidos em diversas residências, considerando vários dias na semana, nos mostra
grande variabilidade no que diz respeito a valores de vazão na duração de utilização de uso da
pia de cozinha e no tanque de lavagem de roupa. Este fato foi atribuído a existência de usos
com diferentes finalidades pelos usuários. Ficaram presentes dois tipos de consumo de água
quente nos banheiros: entre 6:00 e 8:00 horas da manhã e entre 18:00 e 21:00 horas da noite
(este mostrou-se mais expressivo). Assim, ela nos mostra a impossibilidade de uma definição
precisa de um perfil padrão de consumo de água quente. Mostra-nos também que a duração
média do uso do chuveiro foi de 7 minutos e 46 segundos.
PRADO (1991) em suas pesquisas, também chegou a uma duração média de cada banho com
a utilização do chuveiro elétrico de 7 minutos, no entanto, cada morador toma em média, um
banho por dia. Em seus estudos, cada residência possuía em média 4,5 pessoas.
Como já foi apresentado anteriormente, existe grande dificuldade em estabelecer um perfil de
consumo de água quente. As considerações adotadas serão apenas para atender a demanda do
chuveiro elétrico, pois este é o principal responsável pelo pico da demanda de energia elétrica.
63
Segundo PRADO; GONÇALVES (1992) 32% do total da energia gasta em habitações
populares é devido ao chuveiro elétrico.
5.1 – LEVANTAMENTO DA CARGA TÉRMICA
Um dos principais requisitos utilizados em um projeto é a manutenção das condições atuais
do sistema de aquecimento de água quente. Assim, será estimado um tempo médio de 7,5
minutos como sendo um período satisfatório de banho e dois banhos por dia para cada
morador.
O dimensionamento foi realizado considerando o modo tradicional dos fabricantes do setor
para este tipo de sistema de aquecimento solar. Para tanto, foi utilizado o modelo proposto
pela ABRAVA apresentado abaixo:
V
consumo
= Σ (vazão do ponto de utilização x tempo de utilização x freqüência de uso)
n=i
(67)
Onde:
V
consumo
= é o consumo diário, L
Vazão dos pontos de consumo, L/min
Tempo de utilização do consumo, mim
Freqüência de uso
Foi realizada a medição das vazões nos pontos de utilização, resultando em um valor médio
de 6,6 L/min. A quantidade de usuários na residência estudada corresponde a 04 (quatro)
pessoas e 01 (uma) empregada doméstica, supondo que esta não toma banho na residência.
De acordo com a ABNT NBR 7198:1993, o consumo médio de água quente por pessoa numa
residência, corresponde a 45 litros. Essa mesma norma utiliza a vazão máxima de 7,2 L/min
para água quente no misturador do chuveiro e a ABNT NBR 5626:1998 utiliza 12 L/min a
vazão média de água fria.
Assim, o resultado obtido segundo a equação 67 corresponde a:
V
consumo
= 6,6 L/min x 7,5 min x 4 pessoas x 2 banhos/dia
V
conumo
= 396 L
64
O volume necessário para atender a demanda de água quente corresponde a 396 litros/dia. Os
reservatórios disponíveis no mercado brasileiro são normalmente de 100, 150, 250, 300, 400,
500, 600, 800 e 1.000 litros. Dessa forma, foi considerado um reservatório de capacidade 400
litros para o sistema estudado.
A temperatura de armazenamento de água quente foi considerada 55
o
C, apesar de situar-se
um pouco abaixo das temperaturas normalmente usadas, é recomendável utilizá-la, pois
contribui para uma diminuição das perdas térmicas no tanque e diminui a área necessária de
coletores solares. E também, esta se encontra relativamente acima da temperatura de consumo
prevista como pode ser verificado na Tabela 6, tornando assim sua aplicação aceitável.
Tabela 6 – Ângulo de inclinação dos coletores solares para os estados do nordeste do Brasil
Peças
Consumo mínimo
(litros/minuto)
Consumo máximo
(litros/minuto)
Tempo de uso
(por utilização)
Temperatura de
consumo (
o
C)
Ducha de banho
6,6 12,0 10 39 - 40
Lavatório
3,0 4,8 2 39 – 40
Ducha higiênica
3,0 4,8 2 39 – 40
Banheira
80 (litros) 440 (litros) - 39 – 40
Pia cozinha
3,0 4,8 3 39 – 40
Lava-louças
(12 pessoas)
12 (litros) 20 (litros)
ciclo de
lavagem
39 – 40
Máquina de lavra
roupa
90 (litros) 200 (litros)
ciclo de
lavagem
39 – 40
Fonte: ABRAVA, 2008
Foi verificado em simulações prévias em um simulador que a resistência elétrica do
reservatório térmico fica habilitada durante as 24 horas do dia. Dessa forma, observa-se que a
energia auxiliar aquece água em períodos desnecessários conforme o perfil adotado. O
sistema adotado não utilizará a energia auxiliar para que a mesma não seja utilizada em
períodos do dia que não há consumo. Esta condução nos permite melhorar o rendimento da
placa coletora evitando a perda de energia no reservatório pela troca de calor com o ambiente.
Como a temperatura de armazenamento no reservatório térmico é dependente do volume de
água que o tanque armazena, será avaliado o efeito da temperatura de armazenamento sobre o
custo do ciclo de vida, ou seja, será avaliado se é mais econômico armazenar água a baixa ou
65
a alta temperatura. Será verificado também, no caso otimizado, a inclinação da placa coletora
em função da temperatura da água quente de armazenamento.
A demanda energética necessária para aquecimento da água é calculada a partir da equação
proposta pela ABRAVA como sendo:
(
)
3600
1000
..
ambbanhop
mês
mês
TTc
x
V
xED
−
=
ρ
(68)
Onde:
D.E = Demanda energética por mês
ρ = massa específica, considerada igual a 1.000 kg/m
3
V
mês
= volume de água quente requerido por mês, em litros
c
p
= calor específico da água a pressão constante igual a 4,18 kJ/kg.
o
C
T
banho
= temperatura da água quente,
o
C
T
amb
= temperatura ambiente local,
o
C
O valor calculado para o sistema estudado está apresentado abaixo:
Para a temperatura ambiente, foi considerada a situação mais desfavorável, o que corresponde
à temperatura ambiente média no inverno do Município de Maceió/AL, que de acordo com o
INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA – INMET representa aproximadamente
19
o
C.
( )
600
.
3
1955
.
18,4
1000
880.11
1000..
3
Cx
Ckg
kJ
x
L
x
m
kg
ED
o
o
mês
−
=
mêskWhED
mês
/58,496.. =
A partir deste dado, podemos calcular a área coletora necessária para aquecer o respectivo
volume de água armazenado no reservatório térmico.
Área Coletora = Demanda Energética (kWh/mês)
Produção Específica de Energia do Coletor Solar (kWh/m
2
.mês)
(69)
66
Área Coletora =
2
.
/
134
/58,496
m
mês
kWh
mêskWh
Área Coletora = 3,7m
2
Assim, o sistema estudado necessitará de 3,7m
2
de placa coletora. Segundo o fabricante
ARKSOL, os modelos disponíveis de placa coletora correspondem a 2m x 1m ou 1m x 2m,
cada. Portanto, foram utilizados dois coletores de 2m x 1m, o que corresponde a 4m
2
de área
coletora.
5.2 – PARÂMETROS DO PROJETO ESTUDADO
O que determina uma melhor captação de energia proveniente do sol é a inclinação ótima do
coletor solar. Isto ocorre quando a superfície coletora está perpendicular aos raios solares, isto
é, quando o azimute da superfície é igual ao azimute solar e o ângulo de incidência é nulo.
A radiação diária para uma latitude de 45º Norte com o coletor voltado para o equador
(ângulo azimutal
γ
= 0), reflectância da superfície = 0,2 e índice de claridade médio K
T
= 0,5
constante durante todo o ano foi simulada por DUFFIE; BECKMAN (1991), o qual obteve
como resultado que a maior energia obtida para este sistema ocorre quando
β
=
φ
, ou seja,
quando a inclinação da placa coletora coincide com a latitude do local. Essa inclinação torna
os raios do sol perpendiculares à placa coletora. Foi observado também que a sua maior
energia total anual varia menos que 5% quando o ângulo de inclinação da placa coletora varia
±
20% da latitude. Nessa mesma simulação, para o período de inverno, a energia total é
máxima quando o ângulo de inclinação é
β
=
φ
+ 15º.
Os manuais dos fabricantes brasileiros para esse tipo de sistema recomendam que a inclinação
da placa coletora seja acrescida de 15º mais a latitude local, para que dessa forma haja uma
maior incidência de radiação solar no período do inverno.
Para este estudo, a fixação dos coletores foi realizada diretamente sobre o telhado
acompanhando a posição da casa e o tipo do telhado, obtendo uma inclinação de 14º.
Os parâmetros obtidos do projeto estão apresentados na Tabela 7.
67
Tabela 7 – Parâmetros para o projeto estudado
Parâmetros Valor
h
t
= Altura interna do reservatório (se vertical) ou o diâmetro (se horizontal), m 0,69
h
r
= Altura do tubo de entrada de água quente proveniente da placa coletora em relação ao fundo do reservatório, m 0,60
h
c
= Distância vertical entre a entrada e saída do coletor, m 0,48
h
o
= Distância vertical entre a saída do reservatório térmico e a entrada no coletor
0,78
D
i
= Diâmetro interno da tubulação de entrada no coletor, m 0,018
L
i
= Comprimento da tubulação que sai do reservatório e entra na placa coletora, m 9,14
NB
1
= N
o
. de curvas em ângulo reto (ou equivalente) na tubulação que entra na placa coletora 4
D
o
= Diâmetro da tubulação de saída do coletor, m 0,022
L
o
= Comprimento da tubulação que sai da placa coletora e entra no reservatório, m 5,51
NB
2
= N
o
. de curvas em ângulo reto (ou equivalente) na tubulação que sai na placa coletora 2
A
c
= Área útil da placa coletora plana, m
2
4
F
r
(τα)
n
=
Intersecção da curva de eficiência da placa coletora vs. (T
e
-T
a
)/G 0,812
F
R
U
L
= Coeficiente angular da curva de eficiência da placa coletora vs. (T
e
-T
a
)/G 7,2310
G
test
= Fluxo de massa por unidade de área da placa coletora para as condições de teste, kg/h.m
2
46
b
o
= Constante óptica de modificação do ângulo de incidência -0,1
β =
Inclinação da superfície da placa coletora em relação a horizontal, 14
Fonte: Elaboração própria, 2008.
68
Parâmetros Valor
N
r
= Número de ascensores (espaçado a cada 12,5 cm) 14
D
R
= Diâmetro dos tubos ascensores, m – (não é utilizado se LU≥0) 0,012
D
h
= Diâmetro dos cabeçotes da placa coletora, m 0,024
L
h
= Comprimento dos cabeçotes, m – (não é utilizado se LU≥0) 0,96
N
x
= Número de nós no coletor para o cálculo de perdas térmicas 3
U
i
=
Coeficiente global de perdas de calor na tubulação que sai do reservatório e entra na placa coletora, contando com o isolante térmico, kJ/h.m
2
.ºC
0,93
U
o
= Coeficiente global de perdas de calor na tubulação que sai da placa coletora e entra no reservatório, contando com o isolante térmico, kJ/h.m
2
.ºC 0,93
Modelo do
Tanque
1 – Posição de entrada fixa
2 – Posição de entrada variável
1
V
t
Volume do reservatório de água quente, m
3
0,400
c
p
= Calor específico do fluido, kJ/kg.ºC 4,1813
ρ
s
=
Massa específica da água nas condições padrão, kg/m
3
1.000
k
w
=
Condutividade térmica do fluido no tanque de armazenamento (o para nenhuma condução) ou condutividade térmica efetiva do fluido para as
paredes do reservatório, kJ/h.m.ºC
1,98
Configuração
do tanque
1 – Cilíndrico vertical
2 – Cilíndrico horizontal
2
U
t
= Coeficiente de perdas de calor do reservatório térmico, kJ/h.ºC 10,326
r
i
=
Razão entre a espessura do isolamento no topo e a espessura de isolamento das paredes laterais para tanques na vertical, ou a razão do
isolamento entre o topo e a base para tanques cilíndricos horizontais (= 1 se o tanque for concêntrico com o invólucro de isolamento)
1
(U
A
)
f
= Condutância do calor perdido para o fluido 0
Fonte: Elaboração própria, 2008
69
CAPÍTULO 6 – ANÁLISE ECONÔMICA
Segundo a ANEEL em seu site, o mercado de distribuição de energia elétrica do Brasil em
2000 apresentou as seguintes distribuições:
Tabela 8 – Mercado de distribuição brasileiro de energia
elétrica
Região Energia (MWh) Mercado (%)
Centro Oeste 16.346.442 5,34
Nordeste 49.585.285 16,19
Norte 15.765.712 5,15
Sudeste 175.074.948 57,18
Sul 49.438.128 16,15
Fonte: ANEEL, 2008
Assim, a região nordeste ocupa a segunda posição no mercado de distribuição brasileira de
energia elétrica. A participação da CEAL – Companhia Energética de Alagoas no mercado de
distribuição de energia elétrica período janeiro a dezembro de 2007 segundo dados da
ANEEL, correspondeu a 0,7736% no sistema nacional e 3,26% no sistema norte/nordeste.
A CEAL, em seu Relatório Anual de Administração - ano base 2007, mostra que sua área de
concessão abrange aos 102 municípios do Estado de Alagoas. A venda de energia para este
mesmo ano atendeu a 771.364 unidades consumidoras, 5,1% superior a 2006, quando atendia
a 733.726. A venda de energia para o consumidor final alcançou 2.113 GWh, representando
um acréscimo em relação a 2006 de 3,0%. Este volume de vendas ultrapassa em 11,7% ao do
ano de 2000 (1.893 GWh), anterior ao racionamento de energia elétrica. As classes
residencial, industrial e comercial representam 72,7% das vendas para o consumidor final.
O consumo médio mensal da classe residencial foi de 87,72 kWh, superior em 1,2% ao
registrado em 2006 (86,71 kWh).
Esta dissertação está baseada na tarifa de energia elétrica utilizada pela CEAL, pois esta
corresponde a maior distribuidora de energia do estado de Alagoas. A Tabela 9 apresenta as
tarifas cobradas pela CEAL aos consumidores residenciais de baixa tensão de acordo com a
70
faixa de consumo. É importante salientar que é cobrado um valor diferenciado do ICMS –
Imposto Sobre Circulação de Mercadorias e Prestação de Serviços, de acordo com o consumo
de energia elétrica.
Tabela 9 – Tarifas convencionais de energia elétrica para baixa tensão
Classe Residencial
Baixa Renda
(kWh)
Tarifa
(R$/kWh)
ICMS
(%)
Custo Final ao Consumidor
(R$/kWh)
Até 30 0,11896 Zero 0,11896
de 31 a 80 0,20392 17 0,23857
de 81 a 100 0,20514 17 0,24001
de 101 a 140 0,30767 17 0,35100
Superior ao limite
regional de 140
0,34190 25 0,42738
Fonte: CEAL, 2008
Devido às diferenças de tarifas praticadas pela CEAL e considerando que os investimentos em
conservação de energia, sob o ponto de vista do consumidor, são avaliados confrontando-se a
tarifa de energia elétrica, este estudo utilizará para o cálculo de viabilidade econômica os
valores apresentados na Tabela 10, que representam os consumidores de baixa, média e alta
renda como também englobando a menor e maior alíquota de ICMS.
Tabela 10 – Tarifas consideradas para análise de
viabilidade econômica
Tarifa
Custo Final ao Consumidor
(R$/kWh)
1 0,23857
2 0,35100
3 0,42738
Fonte: Elaboração própria, 2008
Segundo MADUREIRA (2005), para o setor elétrico e para a sociedade, a diferença entre o
custo de conservar energia e o de fornecê-la representa o ganho ou a economia unitária. Já
para o consumidor residencial, é a diferença entre o custo de conservar energia e a tarifa
praticada que determina essa economia unitária. Dessa forma, pode-se verificar a atratividade
das opções através do retorno anual do investimento.
71
Os valores levantados para o sistema de aquecimento foram realizados no segundo semestre
de 2007. Todos os cálculos foram baseados na moeda nacional, o Real, pois o dólar-
americano não representaria de fato os aumentos praticados pelos fabricantes e pelas
concessionárias de energia elétrica brasileira devido as suas grandes oscilações no mercado da
Bolsa de Valores. A Tabela 11 apresenta as condições econômicas para o sistema de
aquecimento solar estudado.
Tabela 11 – Valores econômicos para o sistema de aquecimento solar
Custo do coletor solar R$ 804,00
Custo do reservatório térmico R$ 814,00
Transporte dos equipamentos R$ 350,00
Custo dos misturadores R$ 600,00
Custo das tubulações e conexões hidráulicas R$ 895,00
Custo da instalação do sistema R$ 412,00
Custo de manutenção anual 1% do custo inicial
0,23857
0,35100
Valores do kWh
0,42738
Fonte: Elaboração própria, 2008
Para o cálculo da viabilidade econômica do projeto é necessário determinar a fração solar
5
no
sistema que pode ser calculada segundo a equação 70.
mês
solar
mês
L
Q
f =
(70)
Onde:
f = fração solar
Q
solar
= contribuição do sistema de aquecimento solar
L
mês
= demanda mensal de energia
A fração solar segundo PEREIRA et al (2003), é dependente das condições do clima local, da
temperatura desejada para armazenamento de água, dos parâmetros de projeto, do coletor
solar selecionado e da demanda específica de energia
6
.
5
A fração solar é uma relação entre a oferta de energia proporcionada pelo sistema de aquecimento solar e a
demanda total de energia requerida para atender o nível de conforto requerido pelo consumidor.
72
Para calcular a fração solar de um sistema BECKMAN, KLEIN e DUFFIE, (1977)
desenvolveram uma ferramenta simples, conhecida como “f-chart”. O método “f-chart”
utiliza dois parâmetros adimensionais e empíricos como apresentados nas equações abaixo:
(
)
mês
mêsambREFLRC
L
tTTUFA
X
∆−
=
(71)
(
)
mês
mêsTpcRC
L
NHFA
Y
θ
α
τ
=
(72)
Onde:
A
c
= área total do coletor solar, m
2
;
F
R
U
L
= produto do fator de remoção e coeficiente global de perdas térmicas do coletor solar,
W/m
2
.ºC;
T
REF
= temperatura de referência, considerada constante e igual a 100ºC;
T
amb
= temperatura ambiente média para o mês de referência, ºC;
∆
t
mês
= duração do mês, em segundos;
DE
mês
= demanda total de energia para o aquecimento do volume de água, kWh/mês;
F
R
(
τ
c
α
p
)
q
= produto do fator de remoção, transmissividade do vidro e absortividade da tinta
do coletor solar, para o ângulo médio de incidência da radiação direta
7
, adimensional;
H
T
= radiação solar diária em média mensal incidente no plano coletor por unidade de área,
kWh/m
2
.dia;
N
mês
= número de dias do mês.
Com os valores dos parâmetros X e Y, fazendo-se as devidas correções de unidades para que
X e Y sejam adimensionais, é utilizada a equação empírica proposta por KLEIN apud
PEREIRA at al. (2003) para calcular a fração solar:
322
0215,00018,0245,0065,0029,1
YXYXYf ++−−=
(72)
A fração solar foi calculada mensalmente considerando-se as temperaturas e níveis de
radiação médios mensais para a cidade de Maceió/AL. É importante salientar que os dados de
radiação solar obtidos pelo Atlas Solarimétrico do Brasil – UFPE, (2000) referem-se a uma
6
Este parâmetro está associado ao nível de conforto térmico requerido pelo consumidor.
7
De modo geral, pode ser considerado igual a 96% do valor medido experimentalmente nos ensaios do
PBE/INMETRO – Programa Brasileiro de Etiquetagem do Instituto Nacional de Metrologia.
73
situação de raios incidentes numa superfície horizontal. Portanto, é necessário corrigir esses
valores para uma superfície inclinada já que o coletor solar encontra-se numa determinada
inclinação para um máximo aproveitamento da energia solar. Esses valores foram corrigidos
pelo programa SUNDATA V1.0 do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio
de Salvo Brito – CRESESB, (2008) – considerando a latitude de -9º 39’ 57’’ e latitude de 35º
44’ 07’’ para o Município de Maceió/AL.
As Tabelas 12, 13 e 14 apresentam os dados de temperatura ambiente média, radiação solar
média no plano horizontal e radiação solar média no plano inclinado.
Tabela 12 – Temperatura ambiente média mensal para Maceió/AL
Maceió Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
T
amb
(ºC) 26,2 26,3 25,3 25,9 25,1 24,3 23,7 23,5 23,9 24,1 24,4 24,8
Fonte: INMET, 2007.
Tabela 13 – Radiação solar média no plano horizontal mensal para Maceió/AL
Maceió Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
H
Tamb
(kWh/m
2
)
6,1 5,8 5,6 4,6 4,6 4,1 4,2 5,3 5,3 6,0 6,8 6,2
Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil - UFPE, 2000.
Tabela 14 – Radiação solar média no plano inclinado média mensal para Maceió/AL
Maceió Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
H
Tamb
(kWh/m
2
)
6,4 5,8 5,3 4,0 3,7 3,2 3,4 4,4 4,8 5,9 7,1 6,5
Fonte: CRESESB, 2008.
Para obtermos a fração solar anual, é utilizada a equação apresentada por PEREIRA (2003)
como sendo:
∑
∑
=
=
=
12
1
12
1
i
i
i
ii
L
Lf
F
(72)
Para os cálculos da fração solar realizados nesta dissertação, foram considerados os seguintes
valores:
74
F
R
U
L
= 7,231 W/m
2
.
o
C (retirado do cálculo da eficiência do coletor)
F
R
(
τ
c
α
p
)
θ
= 0,812 (retirado do cálculo da eficiência do coletor)
T
REF
= 100
o
C
A planilha de cálculo detalhada para o cálculo da fração solar é apresentada no Anexo A.
A Figura 45 mostra a variação mensal da fração solar e superfície inclinada para o município
de Maceió/AL.
Fração Solar
66,52%
51,95%
73,45%
77,76%
73,16%
64,11%
67,49%
55,10%
62,93%
59,13%
71,43%
66,97%
75,31%
30
40
50
60
70
80
90
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Figura 45 – Variação da fração solar em Maceió/AL. Fonte: Elaboração própria.
6.1 – Dados para Análise da Viabilidade
Abaixo será apresentada uma Tabela de dados referente às entradas saídas do projeto
estudado. Esta planilha contempla os dados técnicos e financeiros referentes ao sistema de
aquecimento solar. Esta planilha mostrará o tempo de retorno do investimento, o qual
determinará se é viável ou não a viabilidade do projeto. A análise será realizada para o
período de 20 anos, tempo correspondente à vida útil dos sistemas de aquecimento solar de
água.
No Anexo B consta a planilha utilizada para calcular a viabilidade econômica do projeto
estudado.
75
Tabela 15 – Entradas e saídas do projeto estudado para análise de viabilidade econômica
Dados de Consumo
Unidade : Residência unifamiliar de médio porte
Número de usuários : 04 (quatro)
Consumo médio por usuário : 99 litros/dia
Demanda diária de água quente : 4 x 99 = 396 litros/dia
Volume do reservatório térmico : 400 litros
Temperatura ambiente local : 19º C
Demanda de energia mensal : 496,58 kWh
Dados da Instalação do Sistema de Aquecimento Solar
Fração solar : 0,6652
Consumo mensal de energia para instalação do sistema de
aquecimento solar
: 496,58 x (1 - 0,6652) = 166,25 kWh
% de economia mensal : 66,52
Economia mensal de energia elétrica : 496,58 – 166,25 = 330,33 kWh
Economia anual de energia elétrica : 330,33 x 12 = 3.963,96 kWh
Valor total do investimento (instalação e operação) : R$ 3.875,00
Manutenção : 1% ao ano do valor total investido
Dados Financeiros
Previsão do aumento de energia para os próximos 20 anos 6,3% ao ano
Economia de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
330,33 x 0,2357 =
R$ 77,86 (mensal)
330,33 x 0,3510 =
R$ 115,95 (mensal)
330,33x 0,4273 =
R$ 141,15 (mensal)
77,86 x 12 = R$ 934,32 (anual) 115,95 x 12 = R$ 1.391,40 (anual) 141,15 x 12 = R$ 1.693,80 (anual)
Gasto de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
166,25 x 0,2357 =
R$ 39,18 (mensal)
166,25 x 0,3510 =
R$ 58,35 (mensal)
166,25 x 0,4273 =
R$ 71,04 (mensal)
39,18 x 12 = R$ 470, 16 (anual) 58,35 x 12 = R$ 700,2 (anual) 71,04 x 12 = R$ 852,48 (anual)
Fonte: Elaboração própria.
76
A taxa mínima de atratividade, que corresponde à melhor remuneração que poderia ser obtida
com o emprego do capital e um investimento alternativo, foi considerada como sendo 11,25%
ao ano. Baseada no SELIC – Sistema Especial de Liquidação e Custódia, referente a janeiro
de 2008.
Serão apresentados na Tabela 16, os resultados obtidos do VPL
8
, TIR
9
e
payback
10
para as
diferentes tarifas consideradas nesta dissertação. Vale ressaltar que para que o projeto se torne
viável economicamente, é necessário que o VPL seja maior que zero e que a TIR seja superior
a taxa mínima de atratividade.
Tabela 16 – Resultados obtidos para as diferentes tarifas simuladas
Tarifas VPL (20 anos) TIR (20 anos)
Payback simples
11
(meses)
0,2357 R$/kWh R$ 1.826,05 17% 78
0,3510 R$/kWh R$ 4.290,01 24% 56
0,4273 R$/kWh R$ 5.919,75 28% 48
Fonte: Elaboração própria
A Figura 46 mostra o
payback
obtido para o projeto estudado.
payback
-5.000
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
Anos
R$
0,2357 R$/kWh
0,3510 R$/kWh
0,4273 R$/kWh
Figura 46 – Representação do payback para as tarifas simuladas. Fonte: Elaboração própria.
8
VPL – Valor Presente Líquido: representa o valor de todas as receitas e despesas obtidas durante o período do
projeto na data atual. Para isso, utiliza-se uma taxa de atratividade, ou seja, uma taxa de rentabilidade mínima
aceitável, que poderia ser obtida a partir de outro investimento.
9
TIR – Taxa Interna de Retorno: é a taxa de remuneração do capital investido.
10
payback: é o tempo de retorno de um investimento.
11
A taxa de juros (i) é constante, incidindo apenas sobre o capital investido, assim dizemos que estamos
trabalhando em um regime de juros simples.
77
6.2 – Análise de Sensibilidade
A análise de sensibilidade tem por objetivo verificar o comportamento do sistema quando
alterado alguns parâmetros centrais. Para esta dissertação, foram simuladas as seguintes
situações:
−
Temperatura de armazenamento no reservatório térmico: 50ºC e 60ºC;
6.2.1 – Temperatura de Armazenamento do Reservatório Térmico
Para dimensionar um sistema de aquecimento solar, é necessário saber qual a temperatura
desejada para armazenamento da água quente. Para o dimensionamento desta pesquisa, esta
foi considerada 55ºC.
Supondo que o reservatório possa ficar a uma temperatura mais baixa a 50ºC ou mais alta a
60ºC dependendo da temperatura ambiente durante os meses do ano e com o mesmo número
de coletores solares calculados a partir da situação do projeto de 55ºC. As outras variáveis
serão consideradas constantes. Assim, temos:
→
Simulação para a Temperatura de Armazenamento de 50ºC e 60ºC
O cálculo da demanda de energia para a temperatura considerada está apresentado abaixo e os
resultados obtidos para estes casos constam nas Tabelas 17 e 18.
Demanda para armazenar 50ºC:
( )
600
.
3
1950
.
18,4
1000
880.11
1000..
3
Cx
Ckg
kJ
x
L
x
m
kg
ED
o
o
mês
−
=
mêskWhED
mês
/61,427..
=
Demanda para armazenar 60ºC:
( )
600
.
3
1960
.
18,4
1000
880.11
1000..
3
Cx
Ckg
kJ
x
L
x
m
kg
ED
o
o
mês
−
=
mêskWhED
mês
/55,565..
=
78
Tabela 17 – Análise do comportamento do sistema para uma temperatura de armazenamento de 50ºC
Dados de Consumo
Unidade : Residência unifamiliar de médio porte
Número de usuários : 04 (quatro)
Consumo médio por usuário : 99 litros/dia
Demanda diária de água quente : 4 x 99 = 396 litros/dia
Volume do reservatório térmico : 400 litros
Temperatura ambiente local : 19º C
Demanda de energia mensal : 427,61 kWh
Dados da Instalação do Sistema de Aquecimento Solar
Fração solar : 0,6652
Consumo mensal de energia para instalação do sistema de
aquecimento solar
: 427,61 x (1 - 0,6652) = 143,16 kWh
% de economia mensal : 66,52
Economia mensal de energia elétrica : 427,61 – 143,16 = 284,45 kWh
Economia anual de energia elétrica : 284,45 x 12 = 3.413,40 kWh
Valor total do investimento (instalação e operação) : R$ 3.875,00
Manutenção : 1% ao ano do valor total investido
Dados Financeiros
Previsão do aumento de energia para os próximos 20 anos 6,3% ao ano
Economia de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
284,45 x 0,2357 =
R$ 67,04 (mensal)
284,45 x 0,3510 =
R$ 99,84 (mensal)
284,45 x 0,4273 =
R$ 121,54 (mensal)
67,04 x 12 = R$ 804,48 (anual) 99,84 x 12 = R$ 1.198,08 (anual) 121,54 x 12 = R$ 1.458,48 (anual)
Gasto de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
143,16 x 0,2357 =
R$ 33,74 (mensal)
143,16 x 0,3510 =
R$ 50,25 (mensal)
143,16 x 0,4273 =
R$ 61,17 (mensal)
33,74 x 12 = R$ 404, 88 (anual) 50,25 x 12 = R$ 603,00 (anual) 61,17 x 12 = R$ 734,04(anual)
Fonte: Elaboração própria.
79
Tabela 18 – Análise do comportamento do sistema para uma temperatura de armazenamento de 60ºC
Dados de Consumo
Unidade : Residência unifamiliar de médio porte
Número de usuários : 04 (quatro)
Consumo médio por usuário : 99 litros/dia
Demanda diária de água quente : 4 x 99 = 396 litros/dia
Volume do reservatório térmico : 400 litros
Temperatura ambiente local : 19º C
Demanda de energia mensal : 565,55 kWh
Dados da Instalação do Sistema de Aquecimento Solar
Fração solar : 0,6652
Consumo mensal de energia para instalação do sistema de
aquecimento solar
: 565,55 x (1 - 0,6652) = 189,35 kWh
% de economia mensal : 66,52
Economia mensal de energia elétrica : 565,55 – 189,35 = 376,20 kWh
Economia anual de energia elétrica : 376,20 x 12 = 4.514,40 kWh
Valor total do investimento (instalação e operação) : R$ 3.875,00
Manutenção : 1% ao ano do valor total investido
Dados Financeiros
Previsão do aumento de energia para os próximos 20 anos 6,3% ao ano
Economia de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
376,20 x 0,2357 =
R$ 88,67 (mensal)
376,20 x 0,3510 =
R$ 132,05 (mensal)
376,20 x 0,4273 =
R$ 160,75 (mensal)
88,67 x 12 = R$ 1.064,04 (anual) 132,05 x 12 = R$ 1.584,60 (anual) 160,75 x 12 = R$ 1.929,00 (anual)
Gasto de energia elétrica
0,2357 R$/kWh 0,3510 R$/kWh 0,4273 R$/kWh
189,35 x 0,2357 =
R$ 44,63 (mensal)
189,35 x 0,3510 =
R$ 66,46 (mensal)
189,35 x 0,4273 =
R$ 80,91 (mensal)
44,63 x 12 = R$ 535,56 (anual) 66,46 x 12 = R$ 797,52 (anual) 80,91 x 12 = R$ 970,92 (anual)
Fonte: Elaboração própria.
80
Serão apresentados na Tabela 19, os resultados obtidos do VPL, TIR e
payback
para as
diferentes tarifas consideradas nesta dissertação.
Tabela 19 – Resultados obtidos de VPL, TIR e payback para as temperaturas de 50º e 60º simuladas
Temperatura
Reservatório
50
o
C 60
o
C
Tarifas
VPL
(20 anos)
TIR
(20 anos)
Payback
(meses)
VPL
(20 anos)
TIR
(20 anos)
Payback
(meses)
0,2357 R$/kWh R$ 1.125,76 15% 80 R$ 2.524,73 19% 71
0,3510 R$/kWh R$ 3.247,54
21% 64 R$ 5.330,73 27% 51
0,4273 R$/kWh R$ 4.650,92 25% 54 R$ 7.186,72 31% 43
Fonte: Elaboração própria
payback
-5.000
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
Anos
R$
0,2357 R$/kWh
0,3510 R$/kWh
0,4273 R$/kWh
Figura 47 – Representação do payback para a temperatura de 50
o
C simulada. Fonte: Elaboração própria.
payback
-10.000
-5.000
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
Anos
R$
0,2357 R$/kWh
0,3510 R$/kWh
0,4273 R$/kWh
Figura 48 – Representação do payback para a temperatura de 60
o
C simulada. Fonte: Elaboração própria.
81
CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS
Este capítulo leva em conta os resultados obtidos das análises dos dados obtidos com o
cálculo da viabilidade econômica.
O projeto só deverá ser viável quando a sua taxa interna de retorno superar o custo de capital,
significando que o investimento estará rendendo mais que o custo dos recursos usados no
projeto como um todo. Como a TIR é um indicador de rentabilidade do projeto, esta deve ser
comparada com a taxa mínima de atratividade do investimento para avaliar a viabilidade ou
não do projeto. Assim, sendo a TIR superior à taxa mínima de atratividade, a análise deve
recomendar o investimento do projeto.
Os resultados apresentados indicam que a substituição do chuveiro elétrico convencional pelo
sistema de aquecimento solar é viável para todas as tarifas consideradas: consumidores de
renda baixa, média a alta. Pois, a taxa interna de retorno obtida apresenta valores superiores à
taxa mínima de atratividade considerada para os cálculos (11,25%).
A economia gerada é de R$ 1.826,05 para os consumidores de baixa renda, recuperando o
investimento realizado em 6,5 anos (78 meses) de uso do sistema de aquecimento solar.
A economia gerada é de R$ 4.290,01 para os consumidores de renda média, recuperando o
investimento realizado em 4,7 anos (56 meses) de uso do sistema de aquecimento solar.
A economia gerada é de R$ 5.919,75 para os consumidores de renda alta, recuperando o
investimento realizado em 4 anos (48 meses) de uso do sistema de aquecimento solar.
Foi feita uma análise para verificar a sensibilidade dos resultados frente à variação da
temperatura de armazenamento da água quente no reservatório térmico, e os resultados
confirmam a viabilidade destes projetos.
Observa-se que quando a temperatura do reservatório térmico diminui, conseqüentemente a
quantidade de energia necessária para atender à demanda de água quente diminui, pois o
diferencial entre a temperatura do reservatório e a temperatura ambiente diminui.
82
Como a quantidade de energia que poderá ser fornecida pela energia solar se manteve
constante, a fração solar permanecerá igual a que foi calculada para o sistema dimensionado.
Dessa forma, em alguns meses do ano, quando a fração solar for mais alta não haverá
necessidade da utilização de energia auxiliar, apesar de o custo com a demanda contratada
continuar existindo. Para o projeto estudado, observou-se que não foi necessário utilizar
sistema de energia auxiliar em nenhum período do ano.
Quando a temperatura desejada do reservatório térmico é maior (60
o
C) que a temperatura cujo
projeto foi dimensionado (55
o
C), a quantidade de energia demandada é maior pois o
diferencial de temperatura é maior, no entanto a quantidade de energia máxima que poderá ser
fornecida ao sistema pela energia solar será a do caso estudado, em virtude ao número de
coletores serem limitados.
Analisando economicamente a variação da temperatura de armazenamento do reservatório
térmico para os consumidores de baixa, média e alta renda, observou-se que tanto a economia
como o tempo de retorno possuem melhores índices em relação ao caso estudo quando se
aumenta a temperatura para 60
o
C.
83
CAPÍTULO 8 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
O objetivo desta dissertação foi de estudar a viabilidade econômica na substituição do
chuveiro elétrico por aquecedor solar de forma a contribuir na conservação da energia.
A utilização de sistema de aquecimento solar é dependente da implantação de medidas de
incentivo nos aspectos técnicos, econômicos, ambientais e sociais. Projetos e medidas podem
estimular o crescimento desta tecnologia no Brasil. Apesar dos efeitos favoráveis ao meio
ambiente e ao econômico, algumas barreiras impedem sua expansão, tipo: os custos iniciais
de instalação, que são considerados ainda bastante elevados quando comparados aos sistemas
convencionais de aquecimento e a falta de financiamento a juros adequados.
O uso da energia solar para aquecimento de água é extremamente vantajoso no Brasil. Além
de o país ter uma grande insolação, há fabricantes nacionais que dominam toda a tecnologia
necessária à captação de energia solar para fins de aquecimento de água. Outro aspecto
importante está no desafogamento do sistema de energia elétrica, a energia solar eliminaria a
necessidade de se aquecer a água de chuveiros apenas com eletricidade.
Embora pouco significativa diante do grande potencial existente, existem vários projetos de
aproveitamento de energia solar para aquecimento de água no Brasil. Esta tecnologia tem sido
bastante aplicada principalmente em residências onde o aquecimento da água pelo chuveiro
elétrico possui uma grande contribuição no valor da conta de energia. De modo geral, o
projeto de edificações no Brasil recebe pouca atenção quanto ao uso racional de energia,
principalmente devido à falta de legislação que imponha limites de consumo e da falta de
profissionais qualificados para atuar nesse campo multidisciplinar.
O crescimento do consumo residencial é realmente bastante preocupante, portanto, não basta
somente os órgãos governamentais criarem legislação a respeito, é preciso que os
consumidores tomem conhecimento e saibam o que se podem obter grandes benefícios com o
uso de equipamentos que promovam a conservação da energia. A redução do consumo de
energia elétrica residencial pode reduzir o problema da falta de energia, ou pelo menos adiar
os grandes investimentos no setor elétrico.
84
A substituição do chuveiro elétrico por aquecedor solar mostrou-se viável, gerando uma
economia para o consumidor de baixa renda de R$ 1.826,05, para o de média renda de R$
4.290,01 e alta renda de R$ 5.919,75 durante os 20 anos de projeto.
O tempo de retorno de 6,5 anos para os consumidores de baixa renda, 4,7 anos para os de
média renda e 4 anos para os de alta renda, justificou-se com base no investimento inicial
(normalmente elevado) e pelas tarifas de energia elétrica da concessionária local.
Nos sistemas de aquecimento solar, a maior parte dos custos é devido ao seu investimento
inicial, os custos de operação e manutenção são baixos. A utilização de uma linha de
financiamento pelo empreendedor melhora seu lucro.
Foi constatado que a participação da energia solar para a geração de calor, é dependente da
fração solar a qual é função da localização do projeto, pois são utilizados valores de
temperatura ambiente e radiação solar local. Assim, em algumas situações a energia solar não
poderá ser capas de suprir sozinha a quantidade de energia requerida para a demanda de
consumo, neste caso é necessário acionar um sistema de apoio convencional.
A previsão do aumento da energia elétrica para impacta o lucro do projeto, mas mesmo
considerando que haverá reajuste anual na tarifa de energia elétrica para os próximos 20 anos,
os resultados obtidos apresentam que o projeto é extremamente viável.
O potencial climático, tecnológico e econômico do Município de Maceió/AL mostra-se
favorável para o desenvolvimento da energia solar em geral e da penetração planejada de
aquecedores solares.
Recomenda-se que as construções de casas e edifícios sejam projetadas pelos construtores de
forma que permitam a utilização de coletores solares pelos usuários. É importante buscar
incentivos nas áreas de pesquisas e desenvolvimento da tecnologia solar a qual ainda há uma
grande caminhada a percorrer na descoberta de novos modelos mais eficientes que ajudem na
conservação da energia.
85
Sugere-se para futuros trabalhos, que a concessionária de energia local procure conhecer o
número de residências com sistemas solares de aquecimento de água de forma a avaliar o
potencial de conservação pelo seu uso.
Como esta tese foi realizada numa região onde a disponibilidade de energia solar é bastante
significativa, é importante estudar também o comportamento deste sistema em regiões com
baixo potencial de insolação e radiação solar, como no sul do país.
Finalmente, ressaltamos que os resultados obtidos neste trabalho permitem colocar em
evidência que o uso e aproveitamento da energia solar é bastante viável e pode representar em
alguns anos uma economia extremamente significativa, reduzindo o consumo da energia
elétrica seja no horário de ponta ou não.
86
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with parabolic troughs. Solar Energy, v.61, n.4, p.275-8, 1997.
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87
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93
ANEXOS
Anexo A – Planilha para cálculo da fração solar
Anexo B – Planilha para cálculo de viabilidade econômica
94
ANEXO A – PLANILHA PARA CÁLCULO DA FRAÇÃO SOLAR
95
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ANEXO B – PLANILHA PARA CÁLCULO DA VIABILIDADE ECONÔMICA
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