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An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Tecnologia apropriada para sistema de energia solar visando aquecimento de água para o banho humano em moradias do meio rural

 

 

Ítalo Alberto Gatica RíspoliI; Carlos Alberto MariotoniII

IEngenheiro Civil, M.Sc. , doutorando na FEC-UNICAMP. Professor pesquisador do Centro Universitário UNISAL de Americana SP. Professor do UNISAL SJ Campinas e Faculdade Municipal Professor Franco Montoro. gatica@dglnet.com.br
IIPh.D, Profesor Titular FEC/NIPE/FEM - UNICAMP. cam@fec.unicamp.br

 

 

RESUMO

O Brasil é banhado por grande quantidade de radiação solar durante a maior parte do ano, entretanto, por uma alternativa de cunho prático e cultural é um país que usa abusivamente a eletricidade para o aquecimento da água para o banho humano nas moradias rurais, urbanas de baixa renda e até mesmo em grande parte das moradias da classe média, pois um chuveiro elétrico é disponibilizado no mercado consumidor a partir de R$ 20,00 (por volta de US$ 6,5). Esta alternativa tem sido largamente usada devido ao baixo custo de aquisição e desprezível custo de instalação, pois não necessita de tubulações para água aquecida e exige apenas de um circuito simples na instalação predial mono ou bifásico, um aterramento e um dispositivo de segurança através de disjuntores num pequeno quadro. Por outro lado em regiões rurais onde não chega a eletricidade, até mesmo a lenha tem sido usada como principal meio de aquecimento de água para o banho humano em edificações de camponeses.
No meio rural, o uso de chuveiros elétricos tem significado um aumento das potências instaladas, com consequente aumento da potência dos transformadores elétricos e da capacidade das linhas de transmissão rurais e, nas zonas urbanas de baixa renda, a preferência pelo chuveiro elétrico incrementa uma carga extra que somada com as demais cargas elétricas, torna mais crítico o horário de pico entre 17:30 e 20:30Hs, provocando toda a polêmica energética (OLIVA, 1999). O poder público, via de regra, tem decidido por aumentar a oferta de energia elétrica sem maiores preocupações com os custos econômico, social e ambiental.
Os aquecedores solares usados no Brasil, conservam seus reservatórios iguais ao modelos projetados de início na França em 1880. Assim esta proposta busca fornecer subsídios técnicos aplicados às moradias rurais e, até mesmo, para urbanas de baixa renda, visando-se estimular as autoridades públicas para a implantação maciça de aquecedores solares sem comprometer o orçamento público, bem como, concomitantemente, conduzir para uma melhor solução do inadequado pay-back dos sistemas solares atuais, conciliando-se a tipologia da moradia rural e a seleção de partes materiais que constituam um bem durável e de qualidade.

Palavras chaves: Fontes renováveis de energia - Energia solar - Conservação de energia - Tecnología Apropriada - Edificação de baixa renda - Coletor solar - Reservatório térmico. Aquecimento de água.

ABSTRACT

The Brazilian land receives a great amount of solar radiation all over the year, therefore, because both the culture and practical aspects, Brazilians use in a non-moderate way the electricity to boil the water for human bath in the rural homes, in the lower incommer residences even at part of the medium class homes. That happens due to the very low price of an electrical shower, about US$ 6,5. In fact, that way of heatig water is largely used because, besides the very low electrical shower price, it is not necessary to install a complete hot water both hydraulic and electrical building systems, but just both single hydraulic pipes and electrical devices. On the other hands, at rural regions where the electricity does not achieve the rural people uses firewood in order to get hot water for human bath.
At the rural places the use of electrical showers has meaning an increase in the electrical transformers powers, heavier electrical transmision rural lines, with greater prices and, at the urban zones, the use of electrical showers in the lower social classes has contributed to a more expressive electrical load at the nacional eletrical system load peck, between 5:30 to 8:30 a.m. The public administration, mostly, does not take into account both social, economic and environmental costs in order to think about the electricity offer.
The solar heating systems, generally used in Brazil, conserves the same reservoirs used in France at 1880. Therefore, this paper presents some technical subsidies applied to rural homes, even to lower income people's homes aiming to estimulate the Brazilian public authorities to make a public police to facilitate both the industrialization and dissemination of solar heating systmes, apropriate to the rural area, with lower costs, componed by good technology equipments, with guarantee of lasting and quality.

 

 

INTRODUÇÃO

Os sistemas de aquecimento solar residenciais de água, no Brasil, estão instalados em sua quase totalidade em moradias de classe alta, outra parcela menor em classe média, porém, em número muito insignificante em moradias populares e no meio rural. Na realidade, as classes sociais inferiores ficam restritas aos projetos de estudo e tentativas de fomento de vetor alternativo, mas no global as aplicações de energia solar para fins de aquecimento de água domiciliar, são feitas em número insignificante para atenuar o problema energético brasileiro.

O meio rural, historicamente, tem usado a energia solar para secagem de grãos, mas muito pouco tem sido usado em termos de aquecimento de água para banho humano e conforto residencial. Além disso, a maior parte da população brasileira é considerada de baixa renda. Porém, as indústrias do setor solar não têm recebido incentivos adequados para o desenvolvimento de projetos para uma classe de baixo poder aquisitivo e, não tem podido apostar no setor público atrelado ao frágil orçamento e equivocada administração do dinheiro público, dessa forma, tem existido um complexo paradoxo entre usuários de chuveiros, que tem procurado analisar o custo final de aquisição e instalação, e as iniciativas pública e privada.

Os tradicionais boilers em metal isolado, via de regra, em cilíndro de alumínio, cobre ou inox, de diâmetro interno em torno de 60 a 70cm e de comprimento variável, isolado em poliuretana expandida, com carenagem externa leve em chapa de alumínio, ferro tratado ou aço inox, operam com o perímetro interno completamente molhado o tempo todo, teoricamente para favorecer a conservação de calor interno e, praticamente para possibilitar a convecção natural da água aquecida, ou seja, a circulação natural enquanto houver um diferencial térmico entre o fundo do reservatório e o coletor exposto ao sol. Isto, tem obrigado o coletor solar ficar em nível inferior ao fundo do reservatório, por outro lado uma reserva de água fria abastece por gravidade o reservatório térmico, por isso, este deve ficar, num nível entre a reserva fria e os coletores solares. A soma destes fatores eleva o custo final pois, se apropria melhor fisicamente em residências com telhados elevados, somando-se, ainda, a probabilidade de que o referido telhado, por não ter sido projetado para receber coletores solares, esteja convenientemente orientado para atender à estação fria do ano (norte verdadeiro e 30º com o plano horizontal), o que na prática nunca acontece, pois a própria telha de barro que oferece a maior inclinação (30%) oferece no máximo um ângulo de 16,70º com o plano horizontal, deixando o coletor solar menos eficiente no inverno. Pois, os raios solares se refletem em grande quantidade sobre a superfície de vidro, caindo dramaticamente o desempenho do mesmo, já que na estação de inverno a radiação solar global na superfície da Terra tem uma significativa diminuição, ao passo que a água a ser aquecida, obviamente, será recebida mais fria nessa estação.

Um problema típico nestes reservatórios tradicionais é que à medida que é consumida a água aquecida, entra no mesmo instante e quantidade água fria, promovendo um elevado gradiente térmico na altura interna do reservatório. Outro fator interveniente no desempenho dos aquecedores solares é a vazão dos pontos de consumo, por exemplo, o crivo de uma ducha de 0,25 litros por segundo contribui para esgotar rapidamente a reserva de calor. Revendedores, fabricantes e projetistas inexperientes divulgam abusivamente o uso de água aquecida pelo aproveitamento da energia solar em inúmeros pontos das habitações onde por exemplo existe um grande consumo diurno, como uma pia de cozinha ou um tanque de lavar roupas que após um moderado uso, não possibilitam a recuperação do calor perdido por falta de tempo de insolação durante o resto do dia, deixando a reserva para o banho noturno subdimensionada para a demanda efetiva de calor, fora as longas metragens de tubulações que contribuem sumariamente para o desperdício de água e calor.

De outro lado, o público consumidor deseja água quente em abundância o tempo todo, e fica mais exigente no inverno, mas a conciliação do coletor solar com a reserva térmica e a melhor disposição para insolação, não contempla 100% das habitações já construídas. Estes problemas têm deixado o assunto em questão em aberto para um rol de estudos e pesquisas, que costumam ficar endôgenos nas universidades, e na prática comercial e industrial muitas vezes se opta por um exagerado super dimensionamento da reserva térmica e da bateria de coletores para contornar os problemas, que por fim resultam em sistemas de aquecimento demasiadamente caros e desapropriados para moradias baixa renda, principalmente para o meio rural.

A indústria brasileira tem apropriado para moradias de baixa renda, que seriam usados no meio rural, modelos de aquecedores solares em tamanhos reduzidos, conservando as propriedades básicas de funcionamento. Existe no mercado uma pobre variedade de modelos econômicos em monobloco contendo o coletor solar e a reserva térmica numa única peça, associando polímeros e outros materiais de menor custo, substituindo os metais nobres como o cobre e o aço inoxidável, mas, mesmo assim os referidos modelos devem ser instalados com face apontando para o norte verdadeiro e a 30º de inclinação com o plano horizontal, o que não é feito por completo na prática. Arquitetos e engenheiros civis projetistas de edificações deveriam levar em conta as construções aqui mencionadas, para estabelecerem um projeto que seja adequado, acomode bem, de forma a proporcionar um bom desempenho do sistema de aquecimento solar. Na pior das hipóteses, deveriam deixar a obra adequada para uma futura incorporação do aquecedor solar, mesmo que seja rejeitado este vetor pelo proprietário da obra, uma vez que não há garantia que o imóvel permaneça eternamente com o primeiro investidor.

 

METODOLOGIA

Segundo (RISPOLI, 2002) a equação 1 ilustra o diferencial térmico máximo no interior de um reservatório térmico típico de sistemas de aquecimento por acumulação do calor solar durante um dia de boa insolação.

Onde ΔT é a diferença de temperatura entre a água fria e a aquecida após um dia de trabalho dos coletores solares. IRT é a irradiância solar global numa superfície inclinada, desviada ou não do eixo norte-sul medida em wh/m². Volume é a quantidade de água do reservatório térmico. η é o desemenho do coletor solar em porcentagem e γRT é um coeficiente de majoração da reserva térmica entre 1 a 1,5 que encampa as perdas de calor em função do modelo tecnológico, fabricação e instalação hidráulica.

Observa-se que o diferencial térmico ΔT é diretamente proporcional à área coletora solar AC e à irradiância solar global IRT e inversamente proporcional ao tamanho da reserva térmica (Volume). Através de uma análise mais rigorosa pode-se decompor a irradiância solar global IRT em outras três sub componentes, direta, difusa e refletida pois convêm lembrar que a componente direta será dramaticamente afetada nas instalações com coletores munidos de vidro liso ou do tipo fantasia a uma inclinação inferior a 30º na estação fria do ano , pois os raios solares desta componente serão refletidos em grande proporção com relação a mesma, minorando o valor efetivo de IRT sobre a superfície inclinada e conseqüentemente reduzindo o valor de ΔT justamente na estação do ano que os usuários mais exigem da temperatura elevada.

A quantidade média mensal diária de radiação solar que chega na superfície do solo brasileiro pode ser escontrada no Atlas Solarimetrico do Brasil e a decomposição numa superfície inclinada pode ser devidamente equacionada segundo DUFFIE, 1981.

Na busca de um custo racional de aquisição e instalação na obra, optou-se por uma reserva térmica com lâmina constante de ar, mas devidamente sifonado e com um braço articulado no interior para capturar sempre a água da superfície. Entre 2001 a 2002 foi executado um projeto piloto em sete moradias de baixa renda, na cidade de Americana-SP com o intuito de melhor apropriar uma instalação de aquecimento solar para edificações de baixo custo, construídas em meio lote de terreno, mas que se apropriam perfeitamente às moradias do meio rural. Ao invés de utilizar os tradicionais boilers em calandragem metálica, optou-se pela manufatura de pequenos reservatórios térmicos em fibra de vidro, munidos de tampa e parede dupla, com a utilizxação de poliestireno expandido entre as paredes como isolamento térmico. Este projeto piloto baseou-se na idéia de que não é necessário transferir muito calor para o interior do reservatório térmico devido ao nosso clima tropical, o que poderia reduzir substancialmente o custo do coletor solar, que no caso foi experimentado em duas modalidades com placa absorvedora de corpo negro sem o efeito estufa com área total de 1,45m² e a mesma área mas fechada em caixa de fibra de vidro com telha cristal translúcida. Como as temperaturas não ultrapassam 70ºC selecinou-se uma série de materiais à base de polímeros que se comportaram com bom desempenho e durabilidade, pois até hoje (julho de 2004) se encontram sem avarias. Tudo isto sustentado que polímeros em baixa pressão podem resistir até 60º C sem deformar-se (MACINTYRE, 1996).

O desenho interno do reservatório témico é inovador, pois separa a água fria que entra da aquecida que se encontra no interior, não permite a entrada constante de ar da intempérie a não ser que uma torneira de consumo seja acionada, protege-se mecanicamente a fronteira ar-água e por fim, a entrada de água fria pode ser controlada por um dispositivo mecânico, eletromecânico ou eletrônico1. Para preservar o interior do banheiro sem nenhuma reforma ou impacto manteve-se o chuveiro elétrico no ponto de consumo, mas foi incorporado um regulador eletônico de potência e um registro misturador solar e, desta forma a vazão em baixa pressão permite que a reserva térmica não supere 150 litros e forneça até 6 banhos. Como existe um sistema retentor na entrada de água fria no interior do reservatório térmico, é ideal aproveitar por completo a reserva aquecida para o banho noturno e aquecer outra reserva somente para a noite posterior. É dizer que este protótipo está planejado para o banho noturno, justamente para desagregar a carga do chuveiro do horário de pico. A figura 1 ilustra o aspecto interno e externo da instalação pilioto.

 

 

Através de três equações simples (RISPOLI 2003) é possível dimensionar o tamanho de uma reserva térmica em função das seguintes varáveis:

Com estas equações se comprova através da tabela 1 a necessidade de uma pequena reserva de água aquecida justificando o volume adotado no projeto piloto, lembrando que a maioria dos chuveiros nacionais em baixa pressão (1 a 2 mca) possuem vazões no máximo igual a 0,06 l/s. Nas residências escolhidas foi medida a vazão dos chuveiros que em média forneceu um valor em torno de 0,05 l/s, que atribui ao chuveiro a peculiar característica de economizador de água e calor.

 

 

A tabela 2: ilustra a radiação solar global para a cidade de Piracicaba-SP, bastante próxima da cidade de Americana-SP onde foi efetuado o teste piloto, considerando uma inclinação de 30º com o plano horizontal e coletores solares apontando para o norte verdadeiro (desvio azimutal = 0).

 

 

Fixando um volume de 150 litros para reserva térmica com um coeficiente de majoração de 5% , ou seja 1,05 para estimar as perdas de calor pelo prórpio reservatório térmico com coletor de 1,45m² de placa absorvedora a 30° de inclinação com relação ao plano horizontal e sem desvio azimutal (apontados para o norte verdadeiro), considerando a radiação solar global média anual inclinada segundo informado pela tabela 2, apresenta-se na tabela 3, o diferencial térmico máximo provável que ocorrerá no interior da reserva térmica após um dia de exposição solar conforme a equação (1) apresentada anteriormente considerando um rendimento não superior a 55% do coletor solar.

 

 

Foram estipuladas as temperatura da água fria (T af) e calculadas as conseqüentes temperaturas no interior do reservatório térmico (T in rt) devido ao ΔT conseguido.

Pode-se observar que o ΔT teórico médio mensal ao longo do ano concebe ao sistema solar nas condições fixadas apenas uma conotação de pré-aquecedor solar, longe de ser um aquecedor de alto desempenho. Aliado à situação de pesquisa que carecia de verbas para a monitoração e aquisição eletrônica de dados, passou-se a comparar a carga percápita da residência um ano antes e um ano depois da intervenção nas sete residências conforme a equação (2)

Outra justificativa desta metodologia de medição repousa na desconfiança dos valores teóricos apresentados pela tabela 03 por causa da população das residências experimentadas apresentar relativa variação.

 

RESULTADOS

Os resultados das medições conforme a metodologia se encontram na tabela 04, logo em seguida se fazem algumas observações paraticulares de cada edificação e uma estatística para a verdadeira média do bairo observado

 

 

OBSERVAÇÕES PARTICULARES

Obra 1: Resultado positivo: baixo número de usuários (3). Apenas uma criança de sete anos e dois adultos todos alfabetizados. Não possuem qualquer dúvida na operação do sistema.

Obra 2: Resultado positivo: inicialmente houve bastante problema de assimilação para operação do sistema. De uma população de seis habitantes, quatro são alfabetizados.

Obra 3: Resultado abaixo da expectativa: dos sete habitantes, apenas dois são alfabetizados. Nenhum usuário utiliza adequadamente o sistema até hoje.

Obra 4: Resultado excelente: Todos alfabetizados não possuem qualquer dúvida ou problema na operação do sistema aplicado.

Obra 5: Resultado peculiar: antes da intervenção local nem sequer havia chuveiro na casa, aqueciam o banho empregando lenha. Com a instalação do chuveiro e sistema solar, aumentou-se o conforto, qualidade de vida e ainda houve uma redução de 1,15 kWh / mês x habitante. Esta obra possui cinco habitantes dos quais três são alfabetizados.

Obra 6: Resultado abaixo da expectativa: Apesar da sólida estrutura familiar e satisfatório grau de instrução (todos alfabetizados) o dono de casa proibiu a utilização do sistema aos quatro filhos como medida de conservação e privacidade ficando a economia reduzida a um valor insignificante. Outro agravante é que no modelo físico do reservatório alocado nesta obra se dispôs o retorno do coletor com baixa diferença geométrica com a saída do mesmo, e um volume de água de 180 litros reduzindo-se a velocidade da convecção. Mesmo com todas essas falhas operacionais e experimentais se registrou uma economia média mensal de 0,47 kWh / mês x habitante, o menor registro dos sete experimentos.

Obra 7: Resultado positivo: Nesta família houve dificuldade inicial, mas se conseguiu dominar a utilização do sistema. Poderia ter um resultado melhor se não fosse a recente construção de um novo banheiro que futuramente poderá diluir parte dos banhos e que se reservado o sistema solar apenas ao casal poderá recair na situação da obra seis, aqui se agravando pela exclusão de seis usuários.

Seguem alguns resultados da estimação indutiva da verdadeira economia média mensal percápita em duas modalidades: excluindo e incluído os resultados impróprios, considerando a amostra piloto de n=7 e a curva de Student para montagem dos intervalos de confiança ao nível de 90%

ESTATÍSTICA

Da amostra de sete experimentos removendo três de resultados impróprios devido à inépcia e ou negligência operacional dos usuários temos a coletânea abaixo em kWh / mês x habitante.

Desses dados calcula-se:

Média aritmética amostral = 11,94

Desvio padrão amostral = 5,878

Considerando 90% de confiança e uma distribuição de Student encontra-se o seguinte intervalo para a verdadeira média populacional;

Este resultado garante com 90% de confiança que a verdadeira economia média mensal per-cápita estará compreendida no intervalo acima. Este resultado pode ser inferido à população capacitada em operar um sistema de aquecimento solar no Jardim dos Lírios, ou populações de hábitos, cultura e poder aquisitivo similares.

Segue cálculo, amostrando os sete experimentos, ou seja, incluindo os três experimentos não bem sucedidos junto com os quatro experimentos bem sucedidos.

Desses dados calcula-se:

Média aritmética amostral = 7,34

Desvio padrão amostral = 7,10

Considerando 90% de confiança e uma distribuição de Student encontra-se o seguinte intervalo para a verdadeira média populacional;

Este cálculo pode ser inferido à população inteira do Jardim dos Lírios incluindo famílias negligentes ou incapacitadas na operação do aquecedor solar, ou populações de hábitos, cultura e poder aquisitivo similares.

CONSIDERAÇÕES ECONÔMICAS E CONSTRUTIVAS

Considerando na ocasião um custo de aquisição e instalação por volta de R$ 650,00 e os melhores resultados de economia per-cápita, a tabela 05 ilustra o pay-back do sistema em função do número de habitantes e da economia per-cápita por mês em Kwh, percebendo-se uma estabilização a partir de cinco habitantes.

 

 

Em prol dos bons resultados experimentais, estimulou-se a reprodução de uma reserva térmica com 150 litros de capacidade, com acabamento externo polido resistente a radiação solar em fibra de vidro através da aplicação de resina apropriada. Também foi pensada a possibilidade de transporte empilhado, onde os kits e acessórios agregados podem ser colocados no fundo do reservatório. A figura 02 ilustra o notável melhoramento entre a reserva térmica térmica experimental e a produção apropriada para o mercado consumidor.

 

 

Como este projeto defende a hipótese que o sistema solar pode ser apropriado a uma edificação pré-existente que não fora planejada para receber coletores solares sobre o telhado, está sendo desenvolvido um sistema econômico que atende com exclusividade aos telhados de barro que possuem uma água sem desvio azimutal, conforme a figura 03, muito parecido com o moedelo de mercado, mas com os novos atributos internos do protótipo experimentado. Também como absolutamente todo tipo de aquecedor solar deve ser apropriado à inclinação de 30º e sem desvio azimutal na nossa região, pode ser confeccionado em bloco de concreto vasado (já existente no mercado) um elemento em alvenaria armada com aproximadamente 3,5m de altura com alicerce suficiente para não perder o equilíbrio lateral que consiga sustentar o protótipo no corredor externo do lote de terreno em condição favorável para exposicão solar, substituindo o incômodo material ferroso que exposto na intempérie está sujeito à oxidação também exposto na figura 03.

 

 

CONCLUSÕES

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

DUFFIE, J. A. & BECKMAN, W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, NY, 1980.

Laboratório de Energia Solar, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Brasil. Software de Banco de Dados da Irradiância Brasileira, disponível na web em: http://www.mecanica.ufrgs.br/solar/ accesado em 20/06/03.

MACINTYRE, Joseph Archibald. Instalações Hidráulicas Prediais e Industriais. LTC, Rio de Janeiro RJ Brasil . 1996.

OLIVA, George Andrrew. Utilização de Aquecedores Solares de Baixo Custo em Programas de Gerenciamento pelo Lado da Demanda. XV SNPTEE. Brasil. 1999. pp 1 - 6. Disponível na web: http://www.xviisnptee.com.br/acervo_tecnico/memoria/xv/stc/stc15.pdf accesado en 20/06/03.

RÍSPOLI, Ítalo Alberto Gatica. Estudo do Aproveitamento da Energia Solar para o Aquecimento de Água em Edificações Unifamiliares de Baixa Renda. BAE UNICAMP, Campinas SP Brasil . 2001.

RÍSPOLI, Ítalo Alberto Gatica. Mariotoni, Carlos Alberto. Reserva Térmica de Acumulação de Calor para o Banho Humano . Revista Ciência e Tecnologia. UNISAL Campinas SP. Ano VI, nº8, Outubro de 2003.

TIBA, Chigueru. Atlas Solarimétrico do Brasil. Ed. Universitária da UFPE, 2000, pg 14.

 

 

1 Patenteado

 
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