relatório de estágio lauro pilatti

43
Otimização de um sistema residencial de aquecimento solar de água Relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5501: Estágio em Controle e Automação Industrial Lauro Antonio Drehmer Pilatti Florianópolis, Dezembro de 2011

Upload: lauro-pilatti

Post on 04-Aug-2015

731 views

Category:

Documents


14 download

TRANSCRIPT

Page 1: Relatório de estágio   lauro pilatti

Otimização de um sistema residencial

de aquecimento solar de água

Relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina

como requisito para a aprovação da disciplina:

DAS 5501: Estágio em Controle e Automação Industrial

Lauro Antonio Drehmer Pilatti

Florianópolis, Dezembro de 2011

Page 2: Relatório de estágio   lauro pilatti

2

Otimização de um sistema residencial de aquecimento

solar de água

Lauro Antonio Drehmer Pilatti

Orientador:

Prof. Julio Elias Normey Rico, Dr. Eng.

_______________________ Assinatura do Orientador

Este relatório foi julgado no contexto da disciplina DAS 5501: Estágio e Controle e Automação Industrial

e aprovado na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação

Page 3: Relatório de estágio   lauro pilatti

3

Agradecimentos

Ao Prof. Julio Elias Normey Rico pela oportunidade de trabalhar no projeto e

pela orientação nas atividades.

A todo o pessoal do LTIC-UFSC, em especial ao Ivan, pelo auxílio na

realização das atividades do estágio.

Às minhas primas que moram comigo, Fernanda e Bianca, que me apoiam e

me incentivam a prosseguir.

Aos meus pais José Pilatti Sobrinho e Elice Drehmer Pilatti, pelo

companheirismo, educação e compreensão em todos os momentos que estiveram

comigo.

Aos amigos e colegas pelos bons e maus momentos que enfrentamos juntos.

Page 4: Relatório de estágio   lauro pilatti

4

Resumo

No prédio de unidade de medição multifásica (UMME), na UFSC, está sendo

desenvolvido um projeto envolvendo um sistema solar de aquecimento de água. O

foco principal desse projeto é a analisar qual a influência do acionamento de seus

componentes (boiler e chuveiro) na temperatura desejada da água para o banho.

Uma das atividades trata-se da modelagem matemática do sistema com

auxílio do software MATLAB. Isso será de extrema importância para fazer

simulações em um ambiente computacional antes de fazer na planta.

Também será detalhada as especificações técnicas dos componentes e como

será a estrutura e montagem deles no prédio. Uma planta feita em AutoCAD também

será elaborada.

Serão apresentados alguns cenários para a obtenção dos devidos resultados

e conclusões.

Este trabalho foi desenvolvido como estágio em Controle e Automação

Industrial do curso de Engenharia de Controle e Automação da UFSC.

Page 5: Relatório de estágio   lauro pilatti

5

Abstract

In the building unit of measurement of multiphase (Umme) at UFSC, a project

is being developed involving a solar water heating. The main focus of this project is to

analyze the influence of the drive components (boiler and shower) at the desired

temperature of water for bathing.

One of the activities it is the mathematical modeling of the system using the

software MATLAB. This is extremely important to make simulations in a computing

environment before making the plant.

It will also detail the technical details of the components and how to

structure and assembling them in the building. A blueprint will also be drafted

in AutoCAD.

Some scenarios will be presented to obtain the appropriate results and

conclusions.

This work was developed as a internship in Industrial Control and Automation in

UFSC’s Control and Automation Engineering College.

Page 6: Relatório de estágio   lauro pilatti

6

Sumário

Agradecimentos ................................................................................................ 3

Resumo ............................................................................................................ 4

Abstract ............................................................................................................ 5

Sumário ............................................................................................................ 6

Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 8

1.1: Contexto do Projeto ............................................................................... 8

1.2: Estrutura do trabalho .............................................................................. 9

Capítulo 2: Sistemas comerciais existentes no Brasil.....................................10

2.1: Básicos................................................................................................. 10

2.2: Sistemas com melhorias relacionadas a automação ........................... 11

Capítulo 3: Especificação dos Componentes..................................................13

3.1: As placas coletoras solares.................................................................. 13

3.2: O boiler................................................................................................. 14

3.3: O chuveiro ............................................................................................ 15

3.3.1: O relé controlador de potência ...................................................... 17

3.4: As Tubulações ..................................................................................... 18

3.5: Esquema de instalação no prédio ........................................................ 20

3.6: Plantas do projeto ................................................................................ 21

Capítulo 4: Modelagem matemática do sistema ............................................. 23

4.1: As placas coletoras solares.................................................................. 23

4.2: O boiler................................................................................................. 25

4.3: O chuveiro ............................................................................................ 27

4.4: O sistema completo ............................................................................. 28

4.5: O modelo no SIMULINK ....................................................................... 29

Page 7: Relatório de estágio   lauro pilatti

7

4.6: Ganhos estáticos ................................................................................. 29

4.6.1: Placas coletoras.........................................................................30

4.6.2: Boiler...........................................................................................32

Capítulo 5: Simulações e resultados .............................................................. 34

5.1: Cenário 1.............................................................................................. 35

5.2: Cenário 2.............................................................................................. 38

Capítulo 6: Conclusões ................................................................................... 42

Bibliografia: ..................................................................................................... 43

Page 8: Relatório de estágio   lauro pilatti

8

Capítulo 1: Introdução

1.1: Contexto do Projeto

O uso de fontes renováveis de energia deixou de ser uma simples alternativa

e já representa uma grande parte do total de enrgia utilizado pelo ser humano.

Vários fatores levam para que isso aconteça. Os principais deles estão no fato

de serem muito menos poluentes e de nunca se esgotarem. Podemos citar o sol, os

ventos e as marés como os mais utilizados. Nesse projeto será abordado

especificamente a energia solar.

A energia solar pode ser usado basicamente de duas formas: para obtenção

de energia elétrica ou para aquecimento de água. Este último é o foco desse

trabalho.

O número de residências a fazer uso desse sistema cresce a cada dia no

país, pois a tecnologia envolvida está muito mais aprimorada e consequentemente

seu rendimento e eficiência energética maiores. Dessa forma, a desconfiança que

grande parte da população tinha em instalá-lo diminuiu.

Entretanto, boa parte dos sistemas ainda não contam com uma inteligência e

automação desejados pelos usuários. Os que possuem, são muito caros e se tornam

inviáveis.

É nesse ponto que entra o objetivo dessa pesquisa.

Como será detalhado nos capítulos seguintes, a energia solar não é a única

responsável por aquecer a água nesses sistemas. Eles contam com um sistema

auxiliar, que serve para dias em que a ensolação não esteja suficientemente grande

para aquece-la na temperatura desejada. Para isso, temos um boiler que não serve

apenas para armazenar a água e manter ela quente, mas conta também com uma

resistência elétrica para aquece-la. Também temos o chuveiro convencional, que

nada mais é do que um aquecedor de passagem.

Em dias frios, podemos perceber que para tomarmos banho na temperatura

desejada, temos que limitar a vasão da água para nosso conforto térmico. Com o

Page 9: Relatório de estágio   lauro pilatti

9

objetivo de resolver esse problema, algumas decisões o sistema de aquecimento

solar deverá tomar, como por exemplo:

- O que acionar? O chuveiro ou o boiler?

- Por quanto tempo deve ser acionado?

- Qual ecomizará mais energia elétrica?

Para responder essas perguntas é que serão feitas algumas simulações em

diferentes cenários que acontecem no dia a dia de qualquer família.

1.2: Estrutura do trabalho

O relatório está dividido em 5 capítulos.

Para ter uma noção do mercado nacional, foi feita uma pesquisa de que tipos

de sistemas as empresas estão oferecendo. Isso foi útil para saber o que está sendo

desenvolvido e quais são as principais dificuldades encontradas por elas. No

capítulo 2 será apresentado o que foi encontrado nesse aspecto.

Já no capítulo 3 foi especificado os materiais e componentes necessários para

montagem do sistema. Dados técnicos e requisitos de projeto também serão

detalhados.

Para as simulações computacionais foi criado um modelo da planta no

MATLAB, mais precisamente no Simulink, com todas equações de cada componente

e do sistema completo. Esse é o assunto do capítulo 4.

Os cenários e resultados obtidos dessas simulações serão discutidos no

capítulo capítulo 5.

No capítulo 6 algumas considerações finais serão apresentadas.

Page 10: Relatório de estágio   lauro pilatti

10

Capítulo 2: Sistemas comerciais existentes no Brasil

Como primeira tarefa do projeto foi realizada a pesquisa do atual cenário

nacional do mercado de aquecedores solares. A fonte para isso foi basicamente a

internet.

Encontrou-se diversas empresas que vendem esse produto e podemos

classicar em dois tipos: básicos e com automação implementada.

A seguir será explicado o funcionamento desses modelos

2.1: Básicos

Estes se caracterizam por não possuírem automação em seus processos. O

seguinte esquema ilustrativo e sua descrição demonstram seu funcionamento:

A água sai do reservatório e passa pelos coletores. São eles que absorvem o

calor do sol para esquentar a água que, depois de aquecida, volta para o

reservatório. Este não deixa a água esfirar, e é dali que ela segue quente direta para

ser utilizada. Uma caixa de água abastece esse reservatório com água fria para que

Figura 1 - Sistema básico

Page 11: Relatório de estágio   lauro pilatti

11

ele nunca fique vazio. Para nunca faltar água quente, todo aquecedor solar tem um

sistema auxiliar. Quando o tempo fica nublado ou chuvoso por muitos dias, este

sistema auxiliar, elétrico ou gás, entra em ação.

Existem dois métodos para que ocorra a circulação da água através do

sistema:

Termossifão: A circulação natural da água entre o boiler e as placas coletoras

ocorre pela variação da densidade da água em função da temperatura. A água

quente é menos densa que a água fria, então a água quente sobe e água fria desce.

Bombeado: o termossifão só ocorre quando os componentes são instalados

na posição da figura anterior. Quando isso não é possível ou viável, o uso de

bombas para forçar a circulação se faz necessário.

2.2: Sistemas com melhorias relacionadas a automação

Diferentemente dos anteriores, estes sistemas possuem algum tipo de

inteligência e automação nos seus processos. Isso facilita a vida do usuário

fornecendo mais conforto e controle da temperatura da água.

Figura 2 - Sistema com automação

Através de um conjunto de sensores de temperatura, bombas e válvulas

devidamente localizados, juntamente com um controlador central, esse tipo de

Page 12: Relatório de estágio   lauro pilatti

12

sistema garante um melhor aproveitamento da energia solar. O funcionamento

ocorre da seguinte forma:

A água fria proveniente da caixa de água fica retida nos coletores solares

antes de ir para o boiler até atingir uma temperatura determinada. Aí então é

liberada a entrada de água fria nos coletores, que faz com que a agua quente siga

para o reservatório. Essa água fria fica retida nos coletores novamente até aquecer e

esse ciclo se repete até que o boiler seja completamente cheio. Para que a água do

reservatório sempre esteja em sua temperatura máxima, há uma comparação entre

ela e a presente nos coletores. Se a dos coletores for maior, ela será

automaticamente direcionada ao reservatório. Conforme vai se utilizando a água do

reservatório, os coletores vão sendo abastecidos para que se mantenha o nível de

água quente no boiler. Da mesma forma que nos aquecedores básicos, em dias

nublados a água é aquecida por um sistema auxiliar.

Page 13: Relatório de estágio   lauro pilatti

13

Capítulo 3: Especificação dos componentes

O processo de especificação começou com a pesquisa de empresas que

vendem sistemas residenciais de aquecimento solar em Florianópolis. Depois de

vários orçamentos requeridos e negociações, decidimos contratar a empresa

Sunfox, devido a diversas vantagens e assistência oferecidos por eles.

Eles ficariam encarregados de fornecer e instalar o sistema completo com

placas coletoras e boiler na lage do prédio, e nós de implantarmos a parte interna do

prédio, que envolve tubulações, chuveiro e sistemas de acionamento e controle.

3.1: As placas coletoras

Figura 3 - Coletor solar

Os coletores solares são os responsáveis por absorver a energia proveniente

do sol e trasnformá-la em calor para aquecer a água. Para o projeto serão instaladas

3 placas com área de absorção de 1m2 cada uma.

A SUNFOX é a fornecedora desse material.

Page 14: Relatório de estágio   lauro pilatti

14

3.2: O boiler

O boiler é talvez o principal componente do sistema. Ele é responsável não

apenas por armazenar a água proveniente dos coletores, mas também deve possuir

boas características térmicas para poder manter a água quente por várias horas.

Isso é importante porque nem sempre utilizaremos toda água presente nele e

em dias com pouca insolação ele nao receberá a água dos coletores na temperatura

desejada.

Ele possui uma entrada, para a água quente proveniente dos coletores, que

deve ser na parte superior dele. Tem duas saídas, uma para a recirculação com as

placas, situada na parte inferior, e outra para o chuveiro, na parte superior.

A seguir temos um esquema com suas partes para entender melhor seu

funcionamento:

Figura 4 - Partes do boiler

Ele é constituído de:

- Corpo interno: fica em contato direto com a água, por isso deve ser feito de materiais resistentes à corrosão.

- Isolamento térmico: minimiza a perda de calor para o meio, fica instalado entre o corpo externo e interno.

- Corpo externo: protege o isolamento térmico de intempéries.

- Termostato: verifica a temperatura da água dentro do reservatório térmico, se necessário aciona a resistência elétrica.

- Resistência elétrica: responsável pelo aquecimento auxiliar

Page 15: Relatório de estágio   lauro pilatti

15

- Suportes: apoio para fixação e instalação do reservatório.

- Tampa lateral: veda o reservatório.

Figura 5 - Boiler

O modelo utilizado oferecido pela SUNFOX apresenta as seguintes

características:

- Volume de 300 litros, no modelo horizontal.

- Isolamento térmico progressivo em poliuretano expandido com até 60 mm

na parte superior.

- Sistema de apoio elétrico composto por resistência elétrica de 3.500W, 220

Volts, com termostato regulável de 20o C a 90o C.

3.3: O chuveiro

O chuveiro é igual aos que encontramos nas residências comuns. Ele é

necessário para em dias com pouca insolação ou muito frios. Neles a temperatura

da água proveniente do sistema solar provavelmente não estará como a desejada.

Deve-se então fazer uso do chuveiro para conseguir atingí-la.

O modelo utilizado será a DUCHA SUPREMA PLUS, da marca Cardal.

Page 16: Relatório de estágio   lauro pilatti

16

Figura 6 - Chuveiro

Uma informação importante é saber como que a temperatura da água sofre

influência com a vazão. Isso é perceptível quando vamos tomar banho e para que

consigamos a temperatura desejada temos que baixar a vazão, pois o chuveiro não

é capaz de aquecer um volume de água muito grande.

No gráfico abaixo, fornecido no site da empresa, temos essa relação.

Figura 7 - Relação da vazão com temperatura para o chuveiro

Page 17: Relatório de estágio   lauro pilatti

17

3.3.1: O relé controlador de potência

Para controlarmos a potência do chuveiro é utilizado um relé. Isso é

necessário pois o chuveiro possui apenas 3 temperaturas desejadas, ou seja, 3

configurações de potência. Como nos ensaios necessitará um ajuste mais preciso, o

relé recebe um sinal de controle e fornece a potência desejada, com valor máximo

de 5.500W, que é igual a do chuveiro.

O modelo que será utilizado é o relé de estado sólido para ângulo de fase

AFC01.

Figura 8 - Relé controlador de potência

Seus dados técnicos são os seguintes:

- Isolação Entre Entrada e Saída: 1000Vrms - Sinal de Controle: 4 a 20mA (6Vcc mínimo) - Tipo de Controle: Ângulo de Fase - Tensão: 220Vac - Corrente: 40A - Sinalização com led: Alimentação, Operação, Excesso de Temperatura - Freqüência: 50/60Hz

Mais informações podem ser encontradas no site da fabricante:

http://www.contemp.com.br/produtos/controladores-de-potencia-e-reles-de-

estado-solido/reles-de-estado-solido-ssr/rele-de-estado-solido-para-angulo-de-fase-

afc01

Page 18: Relatório de estágio   lauro pilatti

18

Todo rele de estado sólido “SSR” gera calor proporcional a corrente elétrica a

que é submetido. Para evitar sua queima é necessário o uso de dissipador de calor.

Foi escolhido o modelo DS3, comprado no mesmo fornecedor do relé, para

essa função:

Figura 9 - Dissipador de calor

3.4: As tubulações

O mais importante da parte hidráulica do sistema e a tubulação para água

quente. Cogitou-se a possibilidade de usar cobre como material, mas devido as

dificuldades para sua instalação, optou-se por utilizar uma linha da marca Tigre, a

Aquatherm. As peças dessa linha suportam temperaturas de ate 90o C, o que é

suficiente para o sistema.

A seguir será apresentada uma relação de todo material que foi comprado

para a parte hidráulica.

Page 19: Relatório de estágio   lauro pilatti

19

Água Quente:

Material Quantidade

Tubo Aquatherm 22mm 24 metros

Joelho Aquatherm 22mm 10 unidades

Luva Aquatherm 22mm 2 unidades

Tê misturador Aquatherm 22mm 1 unidade

Adesivo Aquatherm 2 unidades

Registro tipo chuveiro 22mm 1 unidade

Água Fria:

Material Quantidade

Tubo Soldável 40mm 15 metros

Joelho Soldável 40mm 6 unidades

Luva Soldável 40mm 2 unidades

Registro tipo chuveiro 25mm 1 unidade

Tubo Esgoto 200mm 1 metro

Tubo Soldável 25mm 24 metros

Joelho Soldável 25mm 15 unidades

Luva Soldável 25mm 4 unidades

Registro ON/OFF 25mm 8 unidades

Tê Soldável 25mm 8 unidades

Redução 200mm / 40mm 1 unidade

Eletrodutos:

Material Quantidade

Mangueira corrugada 25mm 70 metros

Itens adicionais:

Material Quantidade

Pincel 2 polegadas 1 unidade

Broxa para passer impermeabilizante 1 unidade

Abraçadeiras, buchas e parafusos para 25mm 60 unidades

Abraçadeiras, buchas e parafusos para 40mm 20 unidades

Lona preta largura 6 metros 3 metros

Fita veda rosca 50 metros 1 unidade

Page 20: Relatório de estágio   lauro pilatti

20

3.5: Esquema de instalação no prédio

Os seguintes desenhos ilustram como que o sistema será instalado no prédio:

Figura 10 - Vistas e esquema de instalação do prédio

Page 21: Relatório de estágio   lauro pilatti

21

O sistema possui um tanque na fossa do prédio para receber a água

proveniente do chuveiro. Dessa forma não a desperdício e podemos reaproveitá-la

no dia seguinte para realização de novos experimentos.

Temos também um quadro geral que vai receber os sinais de controle e

enviar as variáveis medidas.

3.6: Plantas do projeto

Foi necessário a elaboração de plantas realizadas em AutoCAD para se ter

uma noção melhor da configuração do sistema e também para que fosse

apresentada ao departamento financeiro de projetos da UFSC para a autorização

das reformas necessárias no prédio.

As plantas são as seguintes:

Figura 11 - Planta I

Page 22: Relatório de estágio   lauro pilatti

22

Figura 12 - Planta II

Figura 13 - Planta III

Page 23: Relatório de estágio   lauro pilatti

23

Capítulo 4: Modelagem matemática do sistema

Nesse capítulo serão apresentados os modelos matemáticos de cada

componente juntamente com as equações que regem seus processos.

Também serão destacados:

- As variáveis de controle, que são aquelas que tenho objetivo de manter em

um valor desejado.

- As variáveis manipuladas, que são onde eu posso atuar no sistema.

- As perturbações, que são variáveis que não estão sobre meu controle e que

podem vir de outro processo.

4.1: As placas coletoras solares

Figura 14 - Modelo do processo das placas coletoras

( )

Page 24: Relatório de estágio   lauro pilatti

24

Onde:

Significado dos termos da equação:

( )

[ ]

Page 25: Relatório de estágio   lauro pilatti

25

Variável de controle

Variável manipulada

Perturbações

4.2: O boiler

Figura 15 - Modelo do processo do boiler

( )

Onde:

Page 26: Relatório de estágio   lauro pilatti

26

Significado dos termos da equação:

( )

Variável de controle

Variável manipulada

Perturbações

Page 27: Relatório de estágio   lauro pilatti

27

4.3: O chuveiro

Figura 16 - Modelo do processo do chuveiro

Onde:

Significado dos termos da equação:

Page 28: Relatório de estágio   lauro pilatti

28

Variável de controle

Variável manipulada

Perturbações

4.4: O sistema completo

Figura 17 - Modelo do sistema completo

Page 29: Relatório de estágio   lauro pilatti

29

4.5: O modelo no Simulink

Para simular o sistema no MATLAB foi implementado o seguinte modelo no

Simulink:

Figura 18 - Modelo do Simulink

4.6: Ganhos estáticos

Para analisar a relação entre as variáveis do processo, foram calculados os

ganhos estáticos. Isso foi feito para cada caso, sempre verificando como uma

variável influencia na variável de controle, mantendo as demais constantes. As

equações dos modelos apresentadas anteriormente foram remanejadas para esse

cálculo. Os resultados serão apresentados na forma gráfica, onde o eixo x é o da

variável analisada e o eixo y é o da variável de controle.

Page 30: Relatório de estágio   lauro pilatti

30

4.6.1: Coletores solares

- Influência da temperatura ambiente na temperatura de saída do coletor, com

temperatura de entrada de água fria igual a 20o C, fluxo de circulação igual a 1 l/min

e irradiação de 600 W/m2:

- Influência da temperatura de entrada de água fria na temperatura de saída

do coletor, com temperatura ambiente igual a 20o C, fluxo de circulação igual a 1

l/min e irradiação de 600 W/m2:

Page 31: Relatório de estágio   lauro pilatti

31

- Influência da irradiação solar na temperatura de saída do coletor, com

temperatura ambiente igual a 25o C, temperatura de entrada de água fria igual a 20o

C e fluxo de circulação igual a 1 l/min:

- Influência do fluxo de circulação na temperatura de saída do coletor, com

temperatura ambiente igual a 25o C, temperatura de entrada de água fria igual a 20o

C e irradiação de 1000 W/m2:

Page 32: Relatório de estágio   lauro pilatti

32

4.6.2: Boiler

- Influência da potência do boiler na temperatura interna do boiler, com

temperatura ambiente igual a 25o C, fluxo de circulação igual a 1 l/min e temperatura

da água proveniente do coletor de 30 o C:

- Influência da temperatura ambiente na temperatura interna do boiler, com

potência nula, fluxo de circulação igual a 1 l/min e temperatura da água proveniente

do coletor de 30 o C:

Page 33: Relatório de estágio   lauro pilatti

33

- Influência do fluxo de circulação na temperatura interna do boiler, com

potência nula, temperatura ambiente de 25 o C e temperatura da água proveniente

do coletor de 30 o C:

- Influência da temperatura da água proveniente do coletor na temperatura

interna do boiler, com potência nula, temperatura ambiente de 25 o C e fluxo de

circulação igual a 1 l/min:

Page 34: Relatório de estágio   lauro pilatti

34

Capítulo 5: Simulações e resultados

Para as simulações as seguintes considerações gerais serão feitas:

- Tempo de análise de dois dias, ou seja, 48 horas. O primeiro dia começa as

6 horas da manhã.

- Fluxo de circulação entre as placas coletoras solares e o boiler de 1 l/min,

que é o próximo do real. Essa circulação ocorrerá somente quando a temperatura da

água do boiler for inferior a das placas coletoras, como da fato acontece na prática,

pelo sistema de termossifão.

- Temperatura de água fria entrando no boiler de 10o C.

- Potência do boiler funciona como ON/OFF, ou seja, ou vai estar fornecendo

sua potência máxima de 3000W, ou estará desligada.

- Potência do chuveiro da mesma forma, só que com valor de 5500W.

O que será analisado é como a combinação do uso do boiler e chuveiro

deverá ser feita para que consigamos atigingir a temperatura e vazão desejados.

Os banhos serão distribuídos da seguinte forma:

- 5 banhos seguidos, pois consideramos uma família com 5 pessoas, de 10

minutos cada.

- Três sessões: uma as 18:00 do primeiro dia, uma as 06:00 do segundo dia e

outra as 18:00 do segundo dia.

Será usado como entradas no sistema os seguintes dados:

- A temperatura ambiente e o nível de radiação solar durante o dia.

- A temperatuda e vazão desejados para o banho.

Page 35: Relatório de estágio   lauro pilatti

35

5.1: Cenário 1

Nesse primeiro cenário será analisado um dia de verão, sem nuvens, com

temperatura ambiente e irradiação solar variando da seguinte forma ao longo dos

dois dias:

Figura 19 - Temperatura ambiente - cenário 1

Figura 20 - Radiação solar - cenário 1

Admite-se que, nessas circunstâncias, um banho com temperatura de 25o C já

estaria agradável.

Page 36: Relatório de estágio   lauro pilatti

36

Para a vazão será usado o valor de 7 l/min, que é considerado abaixo do que

o ideal.

Temos o seguinte resultado para esse caso:

Figura 21 - Resultado do cenário 1 somente com chuveiro

Os valores de radiação e chuveiro ligado não estão em escala e servem

somente para dar noção de tempo no gráfico.

Nesse gráfico podemos perceber que no primeiro banho do primeiro dia, as

18:00, não foi preciso ligar nenhum sistema auxiliar de aquecimento, pois a água

que estava no boiler estava em temperatura acima da desejada. Já no segundo dia

pela manhã, o boiler não estava mais cheio e teve que receber água fria para se

abastecer. Como de madrugada não é aqucida a água nos coletores, o chuveiro teve

que ser acionado para atingir os 25o C desejados. No fim do segundo dia, após o

aquecimento nas placas, nâo se fez uso da potência do chuveiro.

Faremos um cálculo de quanto de energia foi gasta pelo chuveiro para

aquecer a água e consequentemente seu custo:

Page 37: Relatório de estágio   lauro pilatti

37

Energia = Potencia* (tempo utilizado)

E = 5,5*(50/60) = 4,58 KW.h

Considerando o custo do KW.h em Santa Catarina como R$ 0,33, temos:

Custo = 4,58*0,33 = R$ 1,51

Esse é o custo para os 5 banhos na manhã do segundo dia.

Uma alternativa para esse caso poderia ser acionar a potência do boiler de

madrugada, para que quando a manhã chegasse, tivesse água quente no boiler e

não precisasse ligar o chuveiro. Faremos isso ligando ele as 04:45 do segundo dia,

uma hora e quinze minutos antes do primeiro banho.

Foi obtida a seguinte resposta:

Figura 22 - Resultado do cenário 1 com uso da potência do boiler

Fazendo novamente os cálculos, temos o seguinte consumo:

E = 3*(75/60) = 3,75 KW.h

Custo = 3,75*0,33 = R$ 1,23

Page 38: Relatório de estágio   lauro pilatti

38

Observa-se um custo menor acionando o boiler. Isso se deve ao fato de que

temos um grande volume de água para ser aquecido e o boiler se torna mais

eficiente nesse caso. Se uma só pessoa fosse tomar banho, evidentemte não

compensaria aquecer um volume tão grande de água e o chuveiro se apresentaria

mais eficiente.

5.2: Cenário 2

Aqui vamos tratar de um cenário em que as condições climáticas não estejam

muito agradáveis, ou seja, baixa temperatura ambiente e céu nublado.

Temos as seguintes condições:

Figura 23 - Temperatura ambiente - cenário 2

Page 39: Relatório de estágio   lauro pilatti

39

Figura 24 - Radiação solar - cenário 2

Nesse segundo caso, será feito uma análise com relação ao conforto do

usuário no banho. Dessa forma, não será suficiente a temperatura estar na

desejada, mas também a vazão.

Serão considerados:

- Temperatura desejada igual a 45o C, pois está mais frio que no primeiro

caso;

- Vazão desejada igual a 12 l/min, que é considerada como excelente.

Na primeira simulação será utilizada somente o chuveiro como fonte auxiliar

de energia.

Temos o seguinte resultado:

Page 40: Relatório de estágio   lauro pilatti

40

Figura 25 - Resultado do cenário 2 com uso somente do chuveiro

Podemos observar que a temperatura de banho não atinge a desejada, tendo

um máximo de 20o C. Isso ocorre devido ao fato de o chuveiro não ser capaz de

aquecer uma vazão tão grande de água que passa por ele.

Para tentar solucionar esse problema, foi feita uma segunda simulação,

ligando o boiler as 21:00 do primeiro dia, deixando-o ligado até as 06:00 do dia

seguinte. Foi obtido o seguinte resultado:

Page 41: Relatório de estágio   lauro pilatti

41

Figura 26 - Resultado do cenário 2 utilizando chuveiro e boiler

Percebe-se aqui que os banhos das 06:00 do segundo dia conseguem atingir

a temperatura e vazão desejadas, fazendo um uso combinado dos aquecimentos do

boiler e do chuveiro.

Entretanto um elevado consumo de energia será observado, visto que a

potência do boiler ficou acionada por 9 horas.

Cabe ao usuário decidir o nível de conforto que ele quer ter e quanto ele quer

gastar.

Page 42: Relatório de estágio   lauro pilatti

42

Capítulo 6: Conclusões

Este trabalho teve como objetivo relatar as atividades realizadas no sistema

de aquecimento solar de água que está sendo instalado no prédio UMME da UFSC.

É um projeto que teve início justamente quando comecei o estágio, então teve vários

obstáculos encontrados no decorrer das atividade, como a burocracia para conseguir

financiamento para começar a comprar os equipamentes. Isso atrasou o cronograma

e somente agora, em dezembro de 2012, que a planta poderá ser instalada.

Para trabalhar com simulações computacionais da planta, teve que se fazer

um estudo aprofundado dos modelos dos processos e suas equações. O software

MATLAB foi amplamente explorado e auxiliou de forma primordial nos resultados

obtidos.

Outra parte interessante foi a especificação e orçamento dos componentes,

buscando sempre a melhor solução para os requisitos especificados.

No contexto das tubulações e toda a parte hidráulica, muito se acrescentou

para os conhecimentos do seu autor. Tipos de conexões, registros e tubos tiveram

que ser estudados para desenvolver a parte interna do sistema.

Dois cenários bem distintos foram estudados no projeto. Evidentemente mais

cenários podem ser estudados, conforme for a necessidade e intenção da

simulação. Mas pontos cruciais para a análise devem ser os mesmos, que são o

conforto do usuário no banho e a eficiência energética do sistema.

Os resultados obtidos mostraram que essa área tem muito para evoluir ainda

e que os sistemas presentes não são baseados em estudos desse tipo. Tendo isso

em vista e agora com a instalação do sistema, esse projeto deve trazer bons

resultados e muito provavelmente será de interesse de alguma empresa que vende

produtos similares.

Page 43: Relatório de estágio   lauro pilatti

43

Bibliografia:

[1] SIQUEIRA, D.A. Estudo de desempenho doaquecedor solar de baixo

custo. Dissertacao de Mestrado, Uberlandia, FEQUI-UFU, 2009, 143p.

[2] INMETRO. Programa brasileiro de etiquetagem – Sistemas e equipamentos

para aquecimento solar de água – Coletores solares para banho. Edição

de maio de 2008.

[3] JURADO, D. A. J. Modelagem dinâmica de um sistema solar termo-sifão

usando coletores atmosféricos de plástico. Dissertação de Mestrado,

Uberlândia, FEMEC-UFU, 2004, 102p.

[4] SOBRINO, L. R. Contribuciones al modelado y control de uma planta de

desalacion solar. Dissertação de Doutorado, Universidade de Almeria, 2009,

273p.

[5] SOUZA, L.G.M, 2006, Sistema de aquecimento solar de água para

aplicações residenciais utilizando materiaia alternativos, IV CONEM,

Recife, 2006.

[6] MIYAKAWA, S. K. S, Comportamento e intensidade da radiação solar no

campus da UFGD.

[7] ABREU, R. F, Estudo térmico de um sistema solar de aquecimento de

água residencial para duas configurações de superfície absorvedora.

Dissertação de Mestrado, Natal, UFRN, 2009.

[8] SILVA A. C.G.C, et al. Modelo de simulação numérica para sistemas de

aquecimento de água utilizando energia solar. CEBENS – ISES –CLA. II

Congresso Brasileiro de Energia Solar, Florianópolis/SC – 2008.