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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Simulações do custo de energia para calefaçã0 em casas de vegetação para cinco cidades brasileiras
Celso Eduardo Lins de OliveiraI; Saturnino de La PlazaII; José Luis GarciaIII
IProf. Adjunto, Universidade Estadual do Oeste do Paraná - UNIOESTE - CASA. Rua Universitária 2069-85819-110- Cascavel - Paraná - Brasil - celsooli@unioeste.br
IICatedrático, Universidad Politécnica de Madrid - UPM - ETSIA. Av. Universitária s/n -24970 - Madrid - Espanha
IIIProf. titular, Universidad Politécnica de Madrid - UPM - ETSIA. Av. Universitária s/n -24970 - Madrid - Espanha
RESUMO
Utilizando os valores do coeficiente de perdas de calor calculado com as equações do modelo linear desenvolvido por OLIVEIRA (2003), e com os valores de 30 anos de temperatura ambiente, pode-se calcular a energia por metro quadrado que seria necessária para obter uma temperatura de consigna de 15ºC, para uma casa de vegetação de 132 m2. Foram escolhidas as cidades de Cascavel, Curitiba, Florianópolis, Porto Alegre e São Paulo. Para cada localidade utilizou-se o dia médio dos meses em que a média mínima fosse inferior a 15ºC, onde se constatou a conveniência da calefação. Observando as temperaturas mínimas médias é fácil verificar que o suporte de calor do só se justificaria para cultivos com alta necessidade energética e excelente valor comercial, como pode ser o caso do cultivo de algumas espécies ornamentais. O valor da energia estimada foi multiplicado pelos custos em euros do Kwh para óleo combustível, gás natural e diesel, sendo simulados o uso de aquecimento por aerotermos e solo radiante, combinados ou não com duas técnicas de eficiência energética: uso de uma dupla capa ou túnel sobre o cultivo.Também se deve considerar que em todas as localidades escolhidas existe risco de geada, o que pode influenciar na rentabilidade de muitos cultivos. A cidade de Florianópolis foi a que apresentou menores requerimentos térmicos e, portanto menores custos, já a cidade de Curitiba demonstrou a necessidade de um sistema de apoio por oito meses e, portanto, maiores custos. A técnica mais eficiente é o uso de solo radiante combinado com túnel plástico, sendo o combustível mais econômico o óleo combustível.
ABSTRACT
Using the values of the global heat loss coefficient (U) calculated with the equations of the lineal model developed by OLIVEIRA (2003), and with the 30 year-old values, the energy can be calculated by square meter that would be necessary to obtain a temperature set point of 15ºC, to a greenhouse of 132 m2. They were chosen the cities of Cascavel, Curitiba, Florianópolis, Porto Alegre and São Paulo. To each place the medium day of the months was used to determine the convenience of the heating that the minimum average went under 15ºC. Observing the medium minimum temperatures is easy to verify that the support of alone heat would be justified for a crop with high energy need and excellent commercial value, as it can be the case of the crop of some ornamental species. The value of estimated energy was multiplied by the euros cost for Kwh for fuel-oil, natural gas and diesel, being simulate the heating use for heat fan and radiant floor, combined or not with two techniques of energy saving: use a double layer or plastic tunnel over the crop. Should even consider that in all the chosen places frost risk exists, what can influence in the profitability of many crops. The city of Florianópolis went to that presented smaller thermal solicitations and, therefore smaller costs, the city of Curitiba already demonstrated the needs of a support system for eight months and, therefore, larger costs. The technical more efficient it is the use of combined radiant floor with plastic tunnel, being the combustible more economic is fuel-oil.
1. Introdução
A atividade agrícola em casas de vegetação climatizada viabiliza para o agricultor a produção de espécies vegetais em períodos de melhor remuneração por unidade de produto. Porem tal atividade requer um grau de tecnologia que emprega vários insumos energéticos, fazendo que os custos de consumo direto de energia passem a vigorar como um dos insumos determinantes da rentabilidade da produção.
O consumo de energia na agricultura brasileira aumentou 25% no período de 1979 a 1993 e pode-se estimar que este mesmo volume de crescimento ocorreu na última década. O consumo de energia elétrica cresceu cerca de 500%, devido a gradual substituição da lenha e o uso mais intensivo da mecanização.
A tecnologia de calefação ainda é pouco comum no Brasil, sendo na maioria dos casos o emprego de sistemas de resfriamento o mais freqüente nas instalações chamadas climatizadas. Entretanto este tipo de solução climática empregada em países de clima temperado, não deve ser descartada sem antes uma análise mais precisa, pois seu uso em regiões de potencial econômico para comercialização de produtos de alto valor agregado como, por exemplo, flores, especiarias ou ervas para emprego medicinal pode encontrar retorno elevado.
Neste contexto este trabalho descreve a estimativa com gastos com consumo de energia com calefação para casas de vegetação na região das cidades de Curitiba, Florianópolis, Porto Alegre, São Paulo e Cascavel, utilizando o modelo linear estático desenvolvido por OLIVEIRA et all (2003) e simula as necessidades térmicas do cultivo.
Os modelos climáticos de casas de vegetação descrevem o comportamento baixo a influência de um conjunto de fatores climáticos e do cultivo. O comportamento frente às variações experimentadas nas componentes do clima interno (que são a temperatura nos diversos elementos da casa de vegetação, a umidade relativa, radiação solar, etc.) são o objetivo do modelo.
Um modelo tem basicamente duas aplicações, sua utilização em sistemas de controle do clima, como podem ser os controles preditivos ou adaptativos e o próprio estudo das variáveis envolvidas no interior da casa de vegetação. Os modelos climáticos podem ser classificados, em primeiro lugar, em modelos de ajuste ou empíricos e em modelos formais ou analíticos. Nos modelos de ajuste a relação entre as variáveis de processo e contorno não é formulada mediante a descrição dos processos físicos envolvidos, senão com funções de transferência do sistema obtidas mediante técnica de identificação. Por sua parte, nos modelos formais se faz uma descrição, mais ou menos detalhada, dos balanços de calor e massa que se produzem na casa de vegetação, sendo este balanços expressos mediante relações matemáticas que definem os fluxos térmicos e mássicos produzidos. Com respeito à finalidade ambos os tipos de modelo os de ajuste têm sua aplicação fundamental no controle adaptativo, os modelos formais são utilizados tanto com objetivos de controle como para o estudo de fenômenos físicos que têm lugar nas casas de vegetação, (DAVIS, 1984, UDINK TEN CATE e VAN DE VOOREN, 1984; NIELSEN e MADSEN, 1995).
Neste trabalho com o fim de se obter simulações do uso de uma casa de vegetação climatizada foi utilizado um modelo formal estático desenvolvido por OLIVEIRA et all (2003) como um meio de considerar os fenômenos físicos envolvidos num cultivo, sem a necessidade da construção de uma casa de vegetação em cada localidade.
Os modelos formais estáticos estabelecem que todos os componentes da casa de vegetação respondem instantaneamente (velocidade de resposta elevada) aos câmbios nas variáveis de contorno, pelo que as equações do balanço energético dos componentes de processo de expressam como Calor ganho - Calor perdido = 0, o que matematicamente supõem resolver as equações de forma algébrica.
2. Material e Métodos
2.1. Casa de Vegetação Simulada
Foram considerados na obtenção das equações de potência os dados obtidos e validados para uma casa de vegetação experimental que estava localizada nos campos de práticas da Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrônomos da Universidad Politécnica de Madrid, com coordenadas geográficas de 40º 26' 36'' de latitude N, a 3º 44' 18'' de longitude W, a uma altitude de 595 m, tipo multitunel de teto curvo e de paredes retas com duas naves, sendo cada uma com 132 m2 de área coberta, orientação N-S de eixo, sendo para este trabalho considerada uma só nave.
2.2 Calefação considerada
Foram considerados para o presente estudo duas técnicas de calefação com potência suficiente para aportar calor em quantidade para obter condições adequadas de temperatura para a casa de vegetação proposta: a) uso de aerotermos de 9 kW dispostos em posições diametralmente opostas na casa de vegetação (partes frontal e traseira), b) uso de um sistema de solo radiante composto por uma rede de tubos de polietileno reticulado (540 m para 90 m2) embutidos no piso e aquecidos por uma caldeira elétrica de 15 kW de potencia.
Também foram consideradas duas técnicas inovadoras para aumentar a eficiência dos sistemas de calefação: I) uso de um túnel de polietileno transparente de 0,05 mm de espessura fixado sobre pórticos de PVC rígido colocado diretamente sobre as linhas de cultivo a uma altura de 1,05 m, simplesmente chamado neste trabalho de túnel e II) uso de uma cobertura de polietileno transparente sobre todo o cultivo com altura de 2,20 m sustentada por arames de 2 mm de diâmetro, a esta estrutura se denominou dupla capa.
Foram consideradas as combinações entre cada sistema de aquecimento com cada uma das técnicas de eficiência bem como seu uso independente. Considerando com temperatura mínima a ser obtida no interior da casa de vegetação 15 ºC.
2.3 Simulações
Os modelos lineares obtidos e validados por OLIVEIRA (2001) foram utilizados para simular a utilização de uma estufa com as mínimas características da estufa experimental em 5 cidades do Brasil.
A escolha das cidades utilizadas foi realizada considerando a temperatura mínima média das cidades e seu grau de importância para o cultivo em estufas ou por serem centros de produção ou possíveis mercados consumidores dos produtos de cultivo hortigranjeiro.
Assim, foram escolhidas as cidades de Cascavel, Curitiba,. Florianópolis, Porto Alegre e São Paulo
Para estas cidades se obtiveram dados das médias das temperaturas médias, máximas e mínimas, para um total de 30 anos, normais climatológicas (Dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), desde a web http://www.brasgreco.com/weather/ , que se utilizaram para as simulações nos meses em que a média de mínimas era menor que 15ºC (Tabela 1), considerados como o período de campanha de calefação. Também obteve-se para cada localidade sua latitude e altitude médias, com esses dados, através de um modelo previamente utilizado (GARCIA et al., 1998), calculou-se o perfil de temperaturas externas do dia médio para os meses correspondentes.
Com o perfil das temperaturas externas do dia médio, e os modelos lineares do Coeficiente Global de Perdas de Calor (U) desenvolvidas por Oliveira (2003), Tabela 1, calculou-se com a equação potencia (Equação 1) os valores da energia por metro quadrado que seria necessária para obter uma temperatura de set point de 15ºC, para uma estufa nas condições da estufa experimental em cada hora requerida para a calefação em cada localidade; estes valores somados para o dia médio e multiplicados pelo número de dias de cada mês e pelo preço do Kwh de gás natural, óleo-combustível, e diesel (respectivamente 0,0240; 0,0150; 0,0331 euros), resultam numa estimativa do custo anual de calefação por metro quadrado.
Equação 1
Onde:
Potsim = Potencia requerida simulada, (W)
Δl = Gradiente entre a temperatura externa e a consigna, (ºC)
Uideal = Coeficiente global de intercâmbio térmico calculado pelas equações lineares, (Wm-2ºC-1).
Com os consumos calculados pode-se então calcular a redução percentual do custo com a utilização das técnicas de eficiência propostas para cada localidade.
3 - Resultados e discussão
Os resultados comparativos para cada localidade estão apresentados nas Figuras de 1 a 5, onde se pode verificar uma estimativa de custos com combustíveis para utilização dos sistemas de calefação e técnicas de eficiência propostas.
Observando as temperaturas mínimas médias é fácil verificar que o aporte de calor só se justificaria para cultivos com altas necessidades energética e excelente valor comercial, como pode ser o caso de algumas espécies ornamentais. Também se deve considerar que em todas as localidades existe risco de geada, o que pode influir na rentabilidade de muitos cultivos.
Assim para a cidade de Cascavel o custo variou de 472 euros/ m2 para a utilização de solo radiante combinado com túnel e usando óleo combustível a 1929 euros/ m2 para o uso de aerotermos consumindo diesel.
Para a cidade de Curitiba devido a menor temperatura mínima média com uma campanha de calefação mais extensa, meses de abril a novembro o custo variou de 1.405 euros/ m2 para a utilização de solo radiante combinado com túnel e usando óleo combustível a 5675 euros/ m2 para o uso de aerotermos consumindo diesel.
Já para as cidades de São Paulo e Porto Alegre onde a campanha de calefação tem a mesma duração e as temperaturas consideradas se encontram muito próximas os resultados mostram variação de 311 e 751 euros/ m2, respectivamente para a utilização de solo radiante combinado com túnel e usando óleo combustível a 1255 a 3030 euros/ m2 para o uso de aerotermos consumindo diesel
Florianópolis demonstrou ser entre as localidades estudas a que menor requerimentos energéticos necessita conduzindo a resultados de custos menores que as demais, para esta o custo variou de 167 euros/ m2 para a utilização de solo radiante combinado com túnel e usando óleo combustível a 684 euros/ m2 para o uso de aerotermos consumindo diesel
Na tabela 3, estão apresentados os resultados de eficiência conseguidos em euros por Kwh de combustível e metros quadrados de Casa de Vegetação. Reforça-se o que se pode perceber pelos resultados anteriores: a utilização do túnel com a calefação por solo radiante e de dupla capa com aerotermos conduzem a uma maior eficiência energética e conseqüentemente a uma economia no manejo de sistema de calefação da estufa.
4 - Conclusões
Com o modelo linear formulado por Oliveira (2003) e através da metodologia de estimativa econômica, foi possível realizar simulações para as 5 localidades escolhidas. Tais simulações forneceram uma estimativa de custos com combustível para utilização dos sistemas de calefação e técnicas de eficiência energética propostas para cada localidade.
Nas localidades selecionadas , a utilização do solo radiante em lugar dos aerotermos pode representar uma economia entre 5,7% em Florianópolis até 5,9% em Porto Alegre. Para a calefação por aerotermos, a utilização das técnicas de eficiência recomendadas podem representar uma economia entre 37,8% com dupla capa em Curitiba e 39,8% em Florianópolis para a mesma técnica. Com o uso do solo radiante o menor percentual de redução de consumo conseguido foi de 25% para Curitiba com a utilização de dupla capa e o maior, de 43,1% para Florianópolis. É necessário destacar que a calefação considerada é interessante para cultivos de alto valor econômico e necessidades térmicas.
5 - Agradecimentos
Ao Cnpq e a Universidad Politécnica de Madrid sem o apoio dos quais não seria possível a realização deste trabalho.
6 - Referências:
Davis P.F.. A technique of adaptative control of the temperature in a greenhouse using ventilator adjustments. J. Agric. Eng. Res., 29:241-248. 1984
García J.L., de la Plaza S., Navas L.M., Benavente R.M., Luna L. 1998. Evaluation of the feasibility of alternative energy source for greenhouse heating. J. Agric. Engng. Res., 69:107-114.
Nielsen B., Madsen H. Identification of transfer functions for control of greenhouse air temperature. J. Agric. Eng. Res., 60:25-34. 1995.
Oliveira, C.E.L. Mejora de la eficiencia energética en la calefacción de invernaderos con la utilización de plásticos flexibles, tese de Doutorado, UPM, Madrid, setembro, 2001
OLIVEIRA, C. E. L; GARCIA, J. L., De La PLAZA, S., NAVAS, L. M., CHAYA, C., OPAZO, M. A. U. Modelo linear para estimativa do coeficiente global de perdas de calor em casas de vegetação climatizadas, Anais da II JORNADA CIENTÍFICA DA UNIOESTE, Unioeste - PRPPG Toledo - PR junho, 2003
Udink ten Cate A.J., van de Vooren J.. New models for greenhouse climate control. Acta Hortic., 148:277-286. 1984