sistema de monitoração e controle para aquecedor...
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
E DE COMPUTAÇÃO
DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E MICROELETRÔNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Sistema de Monitoração e Controle para Aquecedor Solar
Autor: João Luiz FlorioOrientador: Prof. Dr.José Antônio Siqueira Dias
Banca Examinadora:______________________________________________
Prof. Dr. José Antônio Siqueira DiasFaculdade de Engenharia Elétrica e de Computação DEMIC – UNICAMP________________________________________
Prof. Dr. Elnatan Chagas FerreiraFaculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoDEMIC – UNICAMP________________________________________________
Prof. Dr. Nivaldo V. SerranJ.B. Campinas Ltda. ________________________________________________ Campinas, 06 de julho de 2010
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
F664s
Florio, João Luiz
Sistema de monitoração e controle para aquecedor
solar / João Luiz Florio. --Campinas, SP: [s.n.], 2010.
Orientador: José Antonio Siqueira Dias.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de
Computação.
1. Aquecimento solar. 2. Microcontroladores. 3.
Abastecimento de água quente. 4. Energia solar térmica.
I. Dias, José Antonio Siqueira . II. Universidade
Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica
e de Computação. III. Título.
Título em Inglês: Electronic system of supervision and control for solar heater
Palavras-chave em Inglês: Solar heating, Microcontrolers, Hot water, Solar
thermal
Área de concentração: Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica
Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica
Banca examinadora: Elnatan Chagas Ferreira, Nivaldo Vicençotto Serran
Data da defesa: 06/07/2010
Programa de Pós Graduação: Engenharia Elétrica
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Dedicatória
A todos os professores que fazem ou fizeram de suas vidas um exemplo de amor ao
ensinar. Entre todos eles, uma especial lembrança ao meu pai, também mestre, que tomou pelas
mãos muitos pequenos e ajudou a transformá-los desde muito cedo em homens íntegros. A esses,
cujo trabalho persiste com dedicação sem esperar pelo reconhecimento ou pela valorização de
tão sublime tarefa, dedico com muita honra este trabalho.
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Agradecimentos
Aos meus pais, que nunca deixaram de saber me apontar os caminhos do bem,
Aos meus professores que me ajudaram a trilhar esses caminhos,
Ao meu orientador, Prof. Dr. José Antonio Siqueira Dias, ao qual desde já sou profundamente
grato pelo crédito no meu trabalho e a quem, acima de tudo, dedico minha admiração pelo seu
profundo conhecimento e pela maneira simples e direta pela qual disponibiliza esse
conhecimento aos alunos que dele necessitam,
A minha família, Lucas, Matheus e em especial à minha esposa, Sueli,
A Cristo Senhor , que reuniu tudo acima e me deu como prova de seu amor.
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“ Para obter algo que nunca teve, deve fazer algo que nunca fez.”
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Resumo
FLORIO, João Luiz, Sistema de Monitoração e Controle para Aquecedor Solar, Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas – DEMIC , 2009. p.
Dissertação (Mestrado).
Mais de 90% dos sistemas de aquecimento de água por energia solar instalados no Brasil
(número superior a 700.00 instalações) são do tipo convencional por circulação passiva. Esse tipo
de instalação apresenta boa performance, aliada à simplicidade de funcionamento .Considerando-
se que aproximadamente 8% da energia consumida em nosso país é para o aquecimento de água
residencial , trata-se de uma excelente alternativa ecológica de economia de energia.
Em períodos de baixa insolação , o usuário pode contar com um aquecimento auxiliar
através de um resistor instalado no interior do reservatório (boiler).Nesta situação a temperatura
da água até atingir o valor de desligamento do termostato de segurança do sistema.Não havendo o
acompanhamento da temperatura, o sistema entra num regime de funcionamento de sucessivos
períodos e aquecimento e resfriamento (por perdas de calor), até que o usuário lembre-se de
desligar o disjuntor. Este trabalho apresenta uma solução economicamente viável de se melhorar
essa situação, fazendo-se uso da eletrônica microcontrolada. Assim, pode-se monitorar o
aquecimento da água pelo resistor auxiliar através de sensores do tipo NTC , propiciando uma
economia de até 25% na conta mensal, além de outras comodidades .
Possuindo três modos de operação : temporizado (atua como timer), termostato
(termostato ajustável pelo painel) e programado (o usuário determina o momento de uso e a
temperatura desejada da água) , o sistema é constituído por console de controle e unidade de
potência. O sistema é de fácil instalação, constituindo uma alternativa viável para se melhorar
significativamente a performance dos sistemas atuais.
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Palavras Chave
- Aquecimento solar, coletores solares, microcontroladores em controle de aquecimento, sistema
de monitoração e controle microcontrolados, dispositivos auxiliares em sistemas de aquecimento
de água por energia solar.
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Abstract
FLORIO, João Luiz, Eletronic System of Supervision and Control for Solar Heater , Faculdade
de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas – DEMIC , 2009.
80p. Dissertação (Mestrado).
Over 90% of heating water by solar energy installed in Brazil today (more than 700,000
facilities ) are of the conventional type passive thermosyphon. This type of installation has good
performance and the simplicity of operation. Considering that approximately 8% of energy
consumed in our country is for heating domestic water, this is an excellent alternative of
ecological energy saving.
In periods of low insolation, the user can rely on an auxiliary heating through a resistor
installed inside the tank (boiler), powered through a circuit breaker. In this situation, with no one
monitoring , the water temperature rises until it reaches the value of shutting down the
thermostat's security system, which in most cases is set at 55 ° C. Without the monitoring of
temperature, the system enters a regime of operation of successive periods of heating and cooling
(for heat loss), until the user remember to turn off the breaker. This paper presents an
economically viable solution to improve that, by making use of electronics microcontroller. Thus,
one can monitor the water heating aid through the resistor sensor NTC, providing savings of up
to 25% on the monthly bill, and other amenities.
With three modes of operation: timer (operates as a timer), thermostat (panel adjustable
thermostat ) and programmed (the user determines the time of use and temperature of the water),
the system consists of the control console and power unit. The system is easy to install, providing
a viable alternative to significantly improve the performance of current systems.
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Key Words
- Solar Heating, solar collectors, microcontrollers in heating control, system of microcontrolled
supervision and control, devices auxiliary in systems of water heating with solar energy.
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Índice
CAPÍTULO 1
1.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................ 1
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO ........................................................................................................................................... 7
CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................................................. 8
2.1 A ENERGIA SOLAR .................................................................................................................................................... 8
2.2 CONCEPÇÃO BÁSICA DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR ENERGIA SOLAR ......................................................... 12
2.3 PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA COM ENERGIA SOLAR .................................................. 15
2.3.1 Sistema passivo direto ................................................................................................................................. 15
2.3.2 Princípio de Funcionamento – Termossifão ............................................................................................... 16
2.3.3 Sistema ativo direto ..................................................................................................................................... 18
2.3.4 Princípio de Funcionamento – Circulação forçada ................................................................................... 19
2.4 ASPECTOS POSITIVOS DO SISTEMA DE AQUECIMENTO POR ENERGIA SOLAR .......................................................................... 20
2.5 ASPECTOS NEGATIVOS DO SISTEMA DE AQUECIMENTO POR ENERGIA SOLAR ......................................................................... 21
2.6 MELHORIAS PROPOSTAS NESTE TRABALHO .................................................................................................................... 22
3.1.1 Concepção do hardware ............................................................................................................................. 25
3.1.2 Circuito eletrônico ...................................................................................................................................... 25
3.1.3 Circuito de entrada dos sensores ............................................................................................................... 28
3.1.4 Filtros passa Baixa 2ª. Ordem .................................................................................................................... 30
3.1.5 Microcontrolador ........................................................................................................................................ 30
3.1.6 IHM ............................................................................................................................................................. 31
3.1.7 Acionamentos .............................................................................................................................................. 31
3.1.8 Relógio de tempo real ................................................................................................................................. 32
3.1.9 Memória EEPROM externa ........................................................................................................................ 32
3.1.10 Fonte de alimentação ............................................................................................................................... 32
xi
MODOS DE OPERAÇÃO ................................................................................................................................................... 32
3.2.1 Modo Temporizado ...................................................................................................................................... 33
3.2.2 Modo termostato ......................................................................................................................................... 33
3.2.3 Modo programado ...................................................................................................................................... 33
IMPLEMENTAÇÃO DO PROTÓTIPO ...................................................................................................................................... 34
INSTALAÇÃO NUM SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE TESTES ......................................................................................... 36
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................................................................... 39
4.1 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DEFINITIVO ................................................................................................................. 39
4.1.1 Especificação das caixas ............................................................................................................................ 40
4.1.2Implementação do Hardware ....................................................................................................................... 41
4.2 IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE .................................................................................................................................. 42
CAPÍTULO 5 .................................................................................................................................................................. 43
5.1 LEVANTAMENTO DOS DADOS EXPERIMENTAIS NOS DOIS TIPOS DE INSTALAÇÕES .................................................................. 43
5.1.1 Ciclo de aquecimento .................................................................................................................................. 44
5.1.2 Ciclos de resfriamento normal (à noite ou com muito baixa insolação) .................................................... 45
Seguem os gráficos obtidos nos dois tipos de boiler (600 e 200 litros) ............................................................... 45
5.1.3 Ciclos de resfriamento forçado (banho) ..................................................................................................... 47
5.2 METODOLOGIA DE CÁLCULO DOS PARÂMETROS DE SOFTWARE .......................................................................................... 48
5.2.1- MODO TEMPORIZADO ........................................................................................................................................... 48
5.3 RESULTADOS OBTIDOS ............................................................................................................................................... 51
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................................................................... 59
Anexo I Esquema eletrônico.......................................................................................................................................61
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Lista de Figuras e Gráficos
Figura 1 - Instalação Fotovoltaica (Alstadt – Alemanha)
Figura 2 - Variação da intensidade de radiação com a latitude
Figura 3 - Posição e inclinação do eixo terrestre em cada estação do ano
Figura 4 - Declinação Magnética e posicionamento correto do coletor solar
Figura 5 - Reservatório térmico solar clássico comercial (GET)
Figura 6 - Componentes do SAS comercial (GET)
Figura 7 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de
energia auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente.
Figura 8 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de
energia auxiliar externa ao reservatório de armazenamento de água quente.
Figura 9 - Componentes da instalação de um termossifão comercial
Figura 10 - Esquema simplificado de um sistema ativo direto
Figura 11 - Componentes da instalação do SAS – circulação forçada
Figura 12 - Circuito de instalação do sistema
Figura 13 - Unidade de Potência
Figura 14 - Arquitetura da unidade de potência
Figura 15 - Circuito de entrada do sistema
Figura 16 - Filtro passa baixa 2ª ordem
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Figura 17 - Plataforma de testes
Figura 18 - Sistema de aquecimento solar de testes
Figura 19 - Instalação dos sensores NTC no Boiler
Figura 20 - Instalação dos sensores NTC nas placas coletoras
Figura 21 - Conexões entre as partes do sistema
Figura 22- Caixa Usinada
Figura 23- Console
Figura 24- Unidade de Potência
Figura 25- Fluxograma de Software
Figura 26- Bancada de testes
Gráfico 1- Ciclo de aquecimento boiler 600 litros
Gráfico 2- Ciclo de aquecimento boiler 200 litros
Gráfico 3- Perda de calor normal boiler 600 litros
Gráfico 4- Perda de calor normal boiler 200 litros
Gráfico 5- Variação do coeficiente de resfriamento normal x temperatura
Gráfico 6- Perda de calor – banho – boiler 600 litros
Gráfico 7- Perda de calor – banho – boiler 200 litros
Gráfico 8- Volume x Velocidade de aquecimento
Gráfico 9- Volume relativo x Horas
Gráfico 10- Aquecimento modo convencional boiler 200 litros
Gráfico 11- Aquecimento modo programado boiler 200 litros
Gráfico 12- Aquecimento modo convencional boiler 600 litros
Gráfico 13- Aquecimento modo programado boiler 600 litros
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Lista de Tabelas
Tabela 1 Composição setorial do consumo de eletricidade no país
Tabela 2 Resultados obtidos – leitura de temperaturas
Tabela 3 Resultados obtidos - acionamento no modo programável – boiler 200 litros
Tabela 4 Resultados obtidos – acionamento no modo programável – boiler 600 litros
xv
Nomenclaturas
CEMIG: Companhia Energética de Minas Gerais
ABRAVI: Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
GET: Marca comercial (Global Energy Telecom – Cambe – PR)
ELETROBRAS: Empresa de capital aberto, controlada pelo governo brasileiro na área de energia
S.A.S: Sistema de Aquecimento Solar
MPLAB: Sistema de Desenvolvimento da Microchip Inc.
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Capítulo 1
1.1 Introdução
Cada vez mais, a sociedade volta os olhos para os custos financeiros e principalmente
ambientais da produção de energia. O que até alguns anos atrás era considerado irrelevante, no
contexto da utilização da energia e da degradação provocada ao meio ambiente para a sua
geração, hoje é considerado fundamental. Assim, produtos e serviços que demandem alto
consumo de energia e alta taxa de degradação ambiental, são rejeitados por uma sociedade cada
dia mais bem informada e preocupada com os custos daí advindos. Produtos necessitam ter um
padrão de conformidade ecológica para terem sucesso no mercado.
No Brasil, a fonte energética convencional mais utilizada são os combustíveis fósseis. Em
relação aos combustíveis fósseis existem inúmeros problemas de utilização, tais como:
• crescimento da emissão de CO, CO2, NO, NO2, SO2 e outros compostos na atmosfera;
• riscos da poluição ambiental devido à produção, transporte e utilização;
• crescente elevação do custo;
• esgotamento das reservas energéticas.
A Hidro-eletricidade está entre as principais fontes de energia primária do país.
1
Embora seja uma fonte renovável, encontra dificuldades de expansão no contexto
brasileiro em virtude de:
• demanda de grandes recursos de investimentos financeiros;
• impactos ambientais provocados pela construção das usinas;
• decomposição possível da vegetação submersa dando origem a gases
como o metano que tem impacto no chamado "efeito estufa" causador de mudanças climáticas.
Segundo a ELETROBRÁS (2001), as usinas hidro-elétricas são responsáveis por 95% da
energia elétrica gerada no país. As características físicas e geográficas do Brasil foram
determinantes para a implantação de um parque gerador de energia elétrica de base
predominantemente hidráulica. Como cerca de 25% de todo o potencial hidrelétrico conhecido
correspondem a usinas em operação e em construção, estima-se que, pelo menos nas duas
próximas décadas, as fontes hidráulicas continuarão a desempenhar importante papel no
atendimento à crescente demanda de energia elétrica.
A realidade vivida nos anos 90 foi o crescimento de consumo de eletricidade sem o
devido aumento da produção interna de eletricidade.
As condições limites de fornecimento de eletricidade, a falta de recursos financeiros,
juntamente com o esgotamento de potenciais hídricos a preços compatíveis, conduziram o
governo a estabelecer estratégias que buscassem alternativas. Estas alternativas estão esboçadas
em estudos como, por exemplo, o Plano 2015.
Infelizmente, apesar de todos os alertas e projetos de expansão do setor elétrico, no ano de
2001 a história do país ficou marcada por uma grande crise energética. O governo federal teve
que tornar medidas drásticas de racionalização, as quais atingiram todos os setores da sociedade.
Diante da situação apresentada, a necessidade do aquecimento de água para diversas
finalidades, também no Brasil, passou a despertar a atenção das entidades envolvidas com a
2
geração e distribuição de energia convencional, dos projetistas e gerenciadores de sistemas
prediais. Os primeiros preocupam-se com a redução da demanda no horário de ponta, ou seja, nos
momentos em que o consumo pode ultrapassar a capacidade instalada. Os dois últimos têm
buscado otimizar os sistemas para redução do gasto com energia. A Tabela 1.1. mostra a
composição setorial do consumo de eletricidade no país.
Tabela 1 Composição setorial do consumo de eletricidade no país
Há de se considerar ainda que o consumo com aquecimento da água representa uma
parcela substancial da energia consumida. Em habitações de interesse social, 32% do total da
energia gasta é devido ao chuveiro elétrico (Prado, Gonçalves, 1992).
3
Isto justifica o desenvolvimento de meios para otimizar o uso e incentivar o
aproveitamento de outras fontes energéticas.
Em um estudo de otimização do uso da energia em residências japonesas, Udagawa;
Kimura (1997) reduziram o gasto da energia consumida em mais de 50%, implantando os
seguintes sistemas: aquecimento solar para a água, geração de energia elétrica por células foto-
voltaicas e isolamento térmico das paredes externas.
Na Alemanha, recente programa de governo permite a instalação de células foto-voltaicas
nas residências, com a garantia de compra da energia pela concessionária (Fig. 1).
Fig. 1
Em nosso país, também têm sido realizados esforços para tornar mais racional o uso e a
utilização de fontes alternativas de energia. Bezerra (1998) tem desenvolvido vários trabalhos
com a aplicação da energia solar, inclusive para as atividades agrícolas. Prado (1991) demonstra a
necessidade do gerenciamento da demanda e o consumo de energia elétrica para aquecimento de
água através do chuveiro elétrico em habitações de interesse social. Petrucci (1998) desenvolveu
um modelo para previsão do comportamento de aquecedores de acumulação a gás em sistemas
prediais de água quente, que possibilita melhores resultados no dimensionamento e no
desempenho em relação aos métodos existentes.
A energia solar é uma alternativa altamente interessante, uma vez que apresenta grande
potencial de utilização no país, além de ser uma fonte energética renovável, limpa, ilimitada e
4
disponível em todo território nacional. Algumas concessionárias de energia elétrica do país, como
a COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS - CEMIG, já possuem programas com
incentivo de aquecimento solar de água para edificações residenciais multifamiliar.
“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, p. 9).
Contudo, a maior barreira enfrentada na difusão do aproveitamento da energia solar
consiste no investimento inicial em equipamentos e instalações que é relativamente alto se
comparado com sistemas convencionais. Em contrapartida o custo de operação e manutenção é
mínimo, sendo quantificada por Healey (1997) de aproximadamente 12% do custo da instalação
do sistema ao longo de toda a vida útil considerada de 20 anos.
Outro fator que tem restringido o uso é a pouca confiabilidade no sistema por parte do
usuário. Com a finalidade de tornar mais difundido estes sistemas, Tsilingiris (1997) propõe o
estabelecimento de uma garantia para o usuário. O autor ilustra duas possibilidades. A primeira é
a reposição do investimento do usuário pelos projetistas e fabricantes caso não sinta satisfeito. A
segunda opção, muito interessante, é a terceirização do fornecimento de água quente, ou seja,
empresas especializadas ficariam responsáveis pelo projeto, construção, financiamento e
manutenção; o usuário pagaria a energia economizada. Esta proposta transfere os riscos
econômico e técnico do usuário para uma companhia especializada em serviço de aproveitamento
de energia solar.
Os avanços tecnológicos nos sistemas de aquecimento com energia solar têm sido
possibilitados, principalmente, conforme Almanza et al. (1997), pelos avanços dos
conhecimentos dos materiais como, por exemplo, espelhos de maior reflectância e superfícies
seletivas com melhores propriedades óticas. A difusão destes conhecimentos também é
5
importante para incentivar o uso de materiais eficientes. Uma das mais bem sucedidas iniciativas
nesse contexto, foi a disseminação maciça do uso dos sistemas residenciais de aquecimento de
água por energia solar. Essa tecnologia teve sua implantação comercial há cerca de 20 anos atrás
em Israel e tal é o seu sucesso que muitas cidades hoje dão um substancial incentivo às novas
construções que utilizem esse dispositivo, tanto no Brasil como no exterior.
Cheng; Lui (1999, p. E1- 2) relacionaram o uso doméstico da água e o consumo de
energia afirmando que “economizar água é equivalente a economizar energia”.
Inúmeros projetos têm sido continuamente apresentados, desde sistemas populares com
custo mínimo, como sistemas sofisticados utilizando coletores de quartzo. No Brasil, são
inúmeras as empresas fabricantes de sistemas de aquecimento solar, congregadas pela ABRAVI
(Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento).
Tradicionalmente os sistemas de aquecimento com energia solar são compostos por
coletores solares, reservatório de armazenamento de fluido aquecido, fonte auxiliar de energia
e um sub-sistema de distribuição do fluido aquecido. A necessidade de um reservatório de
armazenamento se deve ao fato de que a demanda por fluido aquecido não coincide, na
maiorias da aplicações, com o período de oferta do mesmo. Em aplicações residenciais, o
consumo de água quente ocorre principalmente das 18 às 20 horas, mas a geração de água
quente ocorre durante o dia.
O sistema de aquecimento de água com energia solar pode ser classificado segundo o
fluido que está sendo aquecida a placa coletora. Se o fluido aquecido pela placa coletora é o que
será consumido, então se denomina que este sistema é direto. Caso a placa coletora aqueça um
determinado fluído e, este transfira o calor recebido ao fluido que será consumido, tem-se
então um sistema de aquecimento indireto. O sistema de aquecimento com energia solar pode
ser classificado também segundo o tipo de circulação do fluido entre os coletores e o
6
reservatório de armazenamento térmico. Quando a circulação da água se promove
exclusivamente pela diferença de densidade, o sistema de aquecimento é conhecido como um
sistema passivo ou por termossifão. Quando a circulação a água é feito por uma bomba, o
sistema de aquecimento de água com energia solar é referido como um sistema ativo ou
um sistema por bombeamento.
1.2 Objetivos do Trabalho
O presente trabalho objetiva implementar uma série de melhorias sobre um de
aquecimento de água por energia solar do tipo termosifão, convencional (somente com um
termostato como elemento de supervisão de temperatura), fazendo uso da eletrônica digital
microcontrolada. As melhorias dizem respeito à facilitação da instalação, monitoração de
temperatura e economia de energia. Este último aspecto é conseguido tanto no modo termostato
do dispositivo (que possui 3 modos) quanto no modo programado. Consegue-se uma melhoria
significativa de performance do sistema, resultando em economia de energia , principalmente nos
períodos de baixa insolação.
Com esses objetivos e as implementações necessárias para alcançá-los, o projeto
como um todo foi submetido ao CNPQ, recebendo uma bolsa auxílio para o seu
desenvolvimento. A evolução natural foi a transformação da idéia em produto o, que vem
ocorrendo através da empresa Kenntech Tecnologia Eletrônica , de propriedade do autor. De idéia
a um primeiro protótipo, passou-se por todas as etapas de desenvolvimento de um aparelho
eletrônico, cuja síntese compõe este trabalho. A esse processo atribuí-se normalmente o título de
Engenharia de Produto.
7
Capítulo 2
2.1 A Energia Solar
O sol gera e irradia energia eletromagnética com um vasto espectro, do qual a luz
visível é apenas uma pequena faixa. Contudo, essa pequena faixa do espectro é responsável
pela maior parte do calor produzido. Uma porção menor do calor gerado oriunda da banda da
onda longa do infravermelho do espectro e também de uma pequena fração do final da
ultravioleta. Todavia, esse último segmento do espectro nunca atinge os coletores solares, pois a
radiação é absorvida pela atmosfera.
A energia recebida, por unidade de tempo, em uma área unitária perpendicular à
direção da propagação da luz e medida à metade da distância entre o sol e a terra é
chamada de constante solar. Segundo Duffie ; Beckman (1991), esta energia é em média cerca
de 1300W/m2.
A radiação que atinge um determinado ponto na superfície terrestre não é igual à
constante solar, pois sofre na sua trajetória as seguintes influências:
• Latitude: A proporção que a latitude aumenta, a área da superfície terrestre que a mesma
radiação atinge é maior, resultando em uma menor concentração de radiação, conforme
Figura 2.
8
• Estações do ano: O movimento de translação da terra em torno do sol, responsável
pelas estações do ano, descreve uma órbita elíptica plana. O eixo de rotação da terra em volta
de si mesmo não coincide com o eixo da elipse, possuindo uma defasagem de 230 27’,
ver Figura 3. 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;
• A hora do dia: A cada hora do dia os raios solares atingem uma dada superfície sob
diferentes ângulos;
• Condições do céu: A quantidade de nuvens que recobrem o céu interferem na
radiação que atinge a superfície terrestre;
Condições atmosféricas: Dias enfumaçados, nublados ou poluídos alteram a radiação
disponível. Entretanto, segundo Hudson; Markell (1985), este fator exerça reduzida influência
porque a radiação que atinge a superfície terrestre é formada por radiação direta e difusa.
Conforme os autores, em dia claros, 10% da radiação que chega à superfície terrestre é difusa.
Contudo, em dias nublados a radiação difusa é, freqüentemente, toda radiação disponível.
9
Fig. 2 - Variação da intensidade de radiação com a latitude.
( Fonte: Hudson; Markell (1985))
10
Figura 3 - Posição e inclinação do eixo terrestre em cada estação do ano.
Fonte:Hudson; Markell (1985).
Para posicionar corretamente os coletores solares, precisa-se determinar onde há maior
incidência de radiação solar durante todo o ano, garantindo assim um bom funcionamento
principalmente no inverno.
Como o Brasil possui praticamente todo o território no hemisfério sul, o Sol estará na
maioria do ano sempre no Norte, daí a necessidade de instalação dos coletores solares na face do
telhado orientado para o Norte Geográfico ou com o menor desvio possível. Desvios de até 30°
tanto para o Leste (Nordeste) quanto para o Oeste (Noroeste) são aceitáveis Figura 4.
11
Figura 4 - Declinação Magnética e posicionamento correto do coletor solar
Para verificar corretamente a orientação do Norte Geográfico, utiliza-se uma bússola, que
por sua vez, indicará a orientação do Norte Magnético e posicione 20° a direita que é a
declinação magnética para o estado de São Paulo, por exemplo. Uma alternativa é consultar uma
planta ou mapa onde existe a identificação do Norte Geográfico e alguma referência de
posicionamento da sua rua ou divisa do seu lote.
2.2 Concepção básica de um sistema de aquecimento de água por energia solar
Um sistema basicamente é constituído de :
-Placas coletoras de energia: painéis construídos em chapas de alumínio pintadas ou
anodizadas de preto, condutores de água de cobre fixados ou soldados sobre as chapas e
terminações para conexão de um painel ao outro. Como cobertura do conjunto, geralmente vidro
canelado;
12
-Reservatório d’água (boiler), com capacidades compreendidas entre 100 e 1000 litros,
construído geralmente de alumínio, com isolação térmica e terminações de cano (em cobre) para
as conexões de entrada e saída d’água;
-Elemento resistivo de aquecimento: resistor blindado, geralmente com Potência de 2500
a 7000 W, utilizado para aquecer a água caso não haja suficiente energia solar (períodos de
chuva, tempo encoberto, etc).
-Elemento sensor de temperatura (termostato): dispositivo eletro-mecânico baseado nas
diferentes deformações sofridas por um par bimetálico e conseqüente corte no circuito de
alimentação do resistor de aquecimento. Permite que se estabeleça através de um ajuste manual
(parafuso) a temperatura de desligamento. Apresenta uma histerese da ordem de 5 graus e atua ao
redor de 50 graus Celsius.
Opcionalmente (geralmente com um custo elevado ao consumidor) pode ter ainda:
termômetro para monitorar a temperatura da água no interior do Boiler, termômetro para
temperatura ambiente, bomba de circulação forçada, válvulas anti-congelamento, acionadores via
chave estática e controlador de temperatura .
13
Figura 5- Reservatório térmico solar clássico comercial (GET)
Componentes:1) Revestimento externo em chapa de alumínio2) Reservatório interno em chapa de aço inox3) Isolamento térmico em poliuretano (PU)4)Tampas laterais em plástico de engenharia5) Retorno dos coletores6) Alimentação de água fria7) Pés de apoio em poliuretano injetado8) Consumo e respiro9) Sistema de Aquecimento Auxiliar com resistência blindada etermostato pré-regulado.10) Saída para os coletores solares
Figura 6 - Componentes do SAS comercial (GET)
14
2.3 Principais configurações do sistema de aquecimento de água com energia
solar
O aquecimento da água utilizada no abastecimento pode ser feito diretamente no coletor
ou de forma indireta. Neste último caso um fluido refrigerante recebe calor no coletor e o
transfere à água em um trocador de calor. A circulação da água ou do fluido nos coletores pode se
feito por termossifão ou por um sistema de bombeamento. A diferença de densidade devido à
variação de temperatura entre os coletores e o reservatório provoca um movimento no fluido
chamado de termossifão.
Quando o fluxo é dado por termossifonagem, o sistema é classificado como passivo,
quando o fluxo é promovido por bombeamento, é denominado sistema ativo.
2.3.1 Sistema passivo direto
Este é o mais utilizado no aquecimento para fins domésticos por ser simples seu
funcionamento. A Figura 7 ilustra um sistema com um único reservatório onde a fonte auxiliar de
energia esta dentro da mesma; enquanto a Figura 8 ilustra um sistema com dois reservatórios de
água quente, no qual o segundo é um aquecedor auxiliar ligado em série.
15
Figura 7 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de
energia auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente.
Figura 8 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de
energia auxiliar externa ao reservatório de armazenamento de água quente.
2.3.2 Princípio de Funcionamento – Termossifão
O Boiler é alimentado através do circuito de água residencial e se mantém sempre cheio.
Captada pela parte inferior do boiler, a água circula pelos coletores, retirando o calor acumulado
nas placas (principalmente por condução térmica). Esta água, agora aquecida, retorna ao boiler
pelo efeito termossifão (a densidade menor da água quente movimenta-a até o topo do coletor e
16
daí para o interior do boiler, constituindo assim um circuito fechado onde cada vez a água se
aquece mais, tentando o equilíbrio térmico com a superfície das placas). Em dias de muito sol,
principalmente em regiões de latitude conveniente, a temperatura chega facilmente à casa dos 60
graus Celsius ou mais. A Figura 9 ilustra um exemplo de termossifão comercial.
Figura 9 - Componentes da instalação de um termossifão comercial
17
2.3.3 Sistema ativo direto
Neste sistema a circulação da água é feita por uma bomba, por isso o reservatório pode
estar situado em qualquer posição em relação aos coletores (Figura 10). A bomba é acionada por
um controle termostático diferencial. O controle possui sensores conectados ao tanque e ao
coletor que reportam a temperatura de ambos.
Quando a diferença de temperatura entre a parte superior do coletor e o reservatório atinge
um valor preestabelecido a bomba é acionada. O desligamento da bomba é efetuado quando esta
diferença de temperatura torna-se pequena ou quando a água do reservatório alcança a
temperatura desejada. A proteção contra o congelamento pode ser feita pelo acionamento da
bomba que irá recircular a água quente, quando a temperatura externa atingir um valor crítico. A
proteção ao congelamento também pode ser efetuada pela drenagem da água dos coletores.
O sistema ativo em relação ao passivo ganha uma flexibilidade quanto à localização do
tanque na edificação, porém os custos aumentam por apresentar mais dispositivos como: bombas,
sensores e controles.
Figura 10 - Esquema simplificado de um sistema ativo direto.
18
2.3.4 Princípio de Funcionamento – Circulação forçada
O sistema por circulação forçada proporciona um rendimento térmico 30% melhor que o
termossifão. A circulação da água não ocorre sozinha e sim por auxílio de uma micro bomba
instalada no circuito e um controlador eletrônico inteligente com sensores de diferencial de
temperatura. O reservatório térmico solar poderá ser instalado abaixo dos coletores solares, como
também a uma distância superior a 5 metros, viabilizando principalmente obras de grande porte.
Embora nesse tipo de instalação haja a dependência da eletricidade (110 ou 220 V) e a
necessidade de alguma inspeção e manutenção da micro bomba, as vantagens proporcionadas por
um aquecedor solar, como também o melhor rendimento e maior facilidade de instalação,
compensam a sua implantação. A Figura 11 ilustra um sistema de circulação forçada comercial.
O controlador eletrônico proporciona o controle e gerenciamento total do sistema de
aquecimento solar. Permitindo, por exemplo, o monitoramento da produção de água quente, a
programação de até 4 diferentes horários e por tempo determinado do sistema de aquecimento
auxiliar, podendo ser elétrico ou elétrico/gás automaticamente, praticamente eliminando uma
possível falta de água quente. Permite ainda, também em 4 diferentes horários e por tempo
determinado, a circulação da água quente na rede de distribuição, mantendo assim as redes
aquecidas e o uso sempre imediato da água quente. Para as regiões onde existe o risco de geadas
e, como conseqüência o congelamento e danos nos coletores solares, possui um eficiente sistema
anti-congelamento, protegendo os coletores contra congelamento.
19
Figura 11 - Componentes da instalação do SAS – circulação forçada
2.4 Aspectos positivos do sistema de aquecimento por energia solar
O sistema realmente permite uma grande economia de energia, no caso de uma instalação
elétrica residencial, considerando-se que o maior consumo é provocado pelo chuveiro elétrico,
que apresenta, entre outras deficiências, um rendimento muito baixo. Essa economia, além do
contexto financeiro para o usuário, é propagada num contexto muito maior: usinas hidro-elétricas
20
suprem a necessidade, sem a necessidade de novas construções para atender esse consumo
específico: muitos kilômetros quadrados de área inundada são poupados, muitos hectares de
floresta (ainda que reflorestada), muito carvão ou toneladas de óleo combustível são poupados,
no caso de geração de energia em usinas termo-elétricas, muitas toneladas de CO2 deixam de ser
lançadas à atmosfera, contribuindo para a diminuição do efeito estufa. Enfim, trata-se de um
sistema absolutamente limpo, ecologicamente correto e eficiente.
2.5 Aspectos negativos do sistema de aquecimento por energia solar
Ainda que de maneira geral o sistema por mais simples que seja, já apresente benefícios
econômicos e ao meio ambiente (muitos sistemas rudimentares, mas funcionais, são constituídos
de mangueiras dispostas sobre a laje de casas), existem falhas que de certa formam anulam suas
principais virtudes. Nesse sentido, vale observar o que ocorre no sistema quando sucessivos dias
de chuva ou de céu nublado impossibilitam o aquecimento da água: esta lentamente se resfria,
perdendo calor pelas paredes do boiler, pelas placas e pelos condutores (vale lembrar que a
isolação térmica do sistema é na maioria das vezes precária, principalmente quando seus dutos
são embutidos nas paredes).
Baixando de cerca de 55°C (geralmente o estipulado para o termostato), este liga a
corrente pelo resistor. São aproximadamente 12 A num sistema de média capacidade (600 litros
de volume da água), perfazendo 2500W de consumo de energia. Sem que haja uma intervenção
sobre esse tipo de operação, sucessivos ciclos de ligamento-desligamento do resistor se
sucederão. Assim, a água esquentará pelo resistor e se resfriará pelas perdas térmicas do sistema.
Muitos Kw de potência serão desperdiçados nesse modo.
Existe a possibilidade de se desligar o sistema pelo disjuntor do quadro de força da
residência. Ocorre que, geralmente para se ter água quente de manhã, liga-se o boiler à noite.
21
Novos ciclos de liga e desliga se repetem, que findam quando alguém se lembra de desligar o
sistema novamente pelo disjuntor. Assim, a economia gerada no período de insolação é
rapidamente consumida nos dias sem sol.
Outro aspecto ainda pouco explorado pelos fabricantes do sistema, é que a instalação do
mesmo requer a passagem de fios e cabos, ainda que os mais simples. Se incorporarmos ao
sistema algumas facilidades básicas (como por exemplo, a visualização da temperatura da água),
essa fiação se torna bastante complicada, pois devemos considerar a ligação de sensores
(normalmente NTC) através de dutos (na maioria das vezes já com outros condutores) do Boiler
ou coletores até o display. Facilidades como sistema anti-congelamento, circulação forçada de
água, monitoramento de temperatura da água e ambiente, faz a instalação muito custosa de forma
a impedir sua oferta ao cliente (que assim permanece no sistema convencional, com as
deficiências acima descritas).
Nosso trabalho vem propor um novo modelo de sistema, sem fugir de sua estrutura
convencional (placas coletoras e boiler), porém, disponibilizando facilidades ao usuário, sem
prejuízo da simplicidade de instalação. Muito pelo contrário, propondo uma redução significativa
nas conexões e estabelecendo a possibilidade de se monitorar a sua performance.
2.6 Melhorias propostas neste trabalho
Basicamente as melhorias propostas são:
- programação dos horários de consumo de água quente: permite uma ativação do resistor
no horário calculado de forma a oferecer água exatamente na temperatura, no momento de sua
necessidade, sem ciclos de desperdícios de energia.
Dotando o sistema de sensores de temperatura (neste caso, NTC, pelo seu menor custo) e
de um RTC (relógio de tempo real), é possível controlar os horários de acionamento do Boiler em
22
função do horário previsto para o consumo d’água e da temperatura da mesma, através da
potencialidade do microcontrolador. Nesta aplicação, optou-se pelo uso de um elemento da
família PIC (Microchip), especificamente o PIC18F2455. A escolha recaiu sobre esse CI pelo seu
baixo custo, facilidade de se encontrar no mercado nacional e sua capacidade de memória Flash.
Além disso, o ambiente (IDE MPLAB) é bastante conhecido e conta com ferramentas poderosas
de programação.
- facilitar a instalação do sistema (barateando seu custo), através da utilização de um
módulo de potência instalado junto ao reservatório, com uma conexão entre console e módulo
através de cabo manga com 7 vias.
Normalmente, os sistemas não possuem qualquer elemento de controle, sendo o mais
“inteligente” dos recursos, o termostato. Nestes casos, não há qualquer supervisão tampouco
informação sobre temperaturas e sobre a necessidade de acionamentos (como o sistema anti -
congelamento ou o de circulação forçada de água. A única interface mais avançada do sistema é o
disjuntor, que na maioria dos casos permanece ligado (motivo pelo qual o desperdício de energia
se mantém permanentemente).
Dotar o sistema dessas melhorias parece ser o caminho mais razoável. A disponibilidade
de tecnologia e mesmo o custo relativamente baixo para esse avanço esbarra, porém, em alguns
problemas de natureza técnica e outros de natureza cultural do instalador. No lado técnico, em se
tratando de uma instalação numa residência já preparada para receber o sistema de aquecimento,
os problemas podem ser previstos e solucionados.
Na maioria das instalações, conforme relato de vários instaladores entrevistados, os
problemas mais comuns são:
23
- passagem de fios de comando e de potência nos conduítes. Nem sempre existe tal
passagem e quando existe, é única. Dessa forma, cabos de energia e de comando andam juntos no
interior do conduíte;
- chaveamento de potência diretamente no painel de controle (geralmente armário elétrico
que acomoda temporizadores, termômetros e acionadores). A comutação de uma corrente
relativamente alta (a potência do resistor interno ao Boiler pode chegar na casa do 6000W) causa
transientes indesejáveis que se propagam ao longo da instalação e a razoável distância entre o
armário elétrico e o Boiler significa um transito longo de muitos ampères ao longo da instalação.
Esses problemas são de muito maior intensidade quando se trata então de residências antigas ou
nas quais não foi previsto o emprego de um aquecedor solar.
- diversidade nos equipamentos alojados no armário elétrico e falta de padronização
desses itens. Compõe o armário: pelo menos um contator, mostradores digitais de temperatura,
temporizadores, chaves estáticas e elementos de conexão.
Os problemas de natureza cultural por parte do instalador são talvez maiores e de difícil
solução, em se tratando de um sistema com as facilidades previstas (monitoração de
temperaturas, controle sobre o Boiler, dispositivos de circulação forçada e anti-congelamento),
mas com interligações via fios e cabos. Obviamente, um sistema completo vai exigir do
instalador mais tempo de trabalho e um cuidado maior na instalação. Além disso, vai exigir uma
profundidade maior no conhecimento do sistema, já que será o instalador que, além de efetuar o
setup do mesmo, deverá ensiná-lo ao proprietário. Por outro lado, num sistema composto de
elementos de sensoreamento e de acionamento, comparativamente ao convencional, a chance de
ocorrer algum problema (varia em algum sensor, interferência eletromagnética etc) é bem maior.
Assim, é necessário se pensar nas melhorias, mas, paralelamente, na facilitação para os
instaladores.
24
Capítulo 3
3.1 Desenvolvimento do Projeto
3.1.1 Concepção do hardware
As linhas mestras no desenvolvimento do Hardware foram:
- permitir mais que o monitoramento de temperatura e sim a efetiva melhoria na performance do
sistema e conseqüente economia de energia;
- concentração do maior número de informações no mesmo dispositivo (diminuir a diversidade de
componentes no sistema): custo menor;
- facilidade de operação e clareza na apresentação dos valores medidos: somente 5 teclas de
operação e display LCD para leitura de valores, configuração e programação;
- facilidade de instalação: separação do sistema em módulo de operação (console) e módulo de
potencia (UP): evitar a passagem de fios de grosso calibre pelos conduítes (em geral finos e já
super-carregados) e harmonizar a instalação do console com o ambiente .
3.1.2 Circuito eletrônico
Optou-se pela utilização de um sistema microcontrolado baseado na arquitetura Microchip
PIC. Vale lembrar que o projeto visa a implementação comercial de um produto. Dessa forma, a
estrutura do hardware deve ser a que apresente melhor custo-benefício, aliada à facilidade de se
encontrar os componentes no mercado nacional e à grande disponibilidade de literatura e suporte
local. Ainda, o fato do ambiente de desenvolvimento MPLAB ser do conhecimento de qualquer
estudante possibilita fácil concepção e modificações no software se necessário. Outras opções
foram consideradas, como por exemplo o microcontrolador MC9S08QE128 da Freescale. Esse
dispositivo, aliado à sua grande diversidade de dispositivos internos (Timers, Conversores e
Dispositivos de Comunicação) possui ainda uma característica singular: pode ser substituído pelo
25
Microcontrolador V1 da família ColdFire sem que sejam necessárias alterações no hardware
(mesma pinagem), porém com um performance de 32 bits. Problemas como disponibilidade no
mercado local fizeram com que se optasse pela família Microchip 18F. No mais, foram utilizados
dispositivos convencionais de mercado:
- RTC DS1302: relógio de tempo real com comunicação serial
- Amplificadores operacionais tipo LM324 (filtros e proteções)
- Drivers, latchs (lógica digital): família 74LS TTLA figura 12 mostra o esquema eletrônico do
sistema.
Fig. 12 – Esquema eletrônico do sistema (em anexo, ampliado)
26
Pode-se observar que os sinais provenientes dos dois sensores NTC (dois fios) passam por
um filtro de 2ª. ordem e entram diretamente no microcontrolador através das entradas de
conversão analógica. Isso por que, num dispositivo deste tipo uma resolução de 10 bits é mais
que suficiente para os resultados pretendidos. Os filtros atenuam a interferência induzida nos
condutores já que maioria das residências não há a previsão e instalação de sistemas de
aquecimento solar e muito menos a passagem separada de condutores para sensores e para
energia.
Observa-se ainda na Figura 13 a existência de um segundo elemento que faz a comutação
dos elementos de potência. Denominado UP (Unidade de Potência), este circuito é alojado numa
pequena caixa metálica, contendo no seu interior elementos semicondutores de comutação de
potencia, notadamente TRIAC (TIC236), associados à elementos de isolação (MOC3021). A
razão dessa concepção é a de se evitar longos condutores de cobre conduzindo correntes de até 20
Amperes ao longo da instalação elétrica da residência (que muitas vezes é antiga e não comporta
a passagem de condutores como 4mm). A instalação da UP é feita próxima do Boiler, no forro da
residência de modo a encurtar os condutores. O comando da UP é feito através de um cabo
multivias (7x26AWG) que leva o sinal de comutação para os TRIACs (via chaveamento de reles
internos à console) e traz os sinais dos NTCs. Fatores como custo e simplicidade e robustez de
instalação sempre nortearam este projeto.
Na Figura 13 pode-se ver a UP.
Figura 13 - Unidade de Potência
27
O esquema elétrico da Figura 14 ilustra a arquitetura UP.
Figura 14 - Arquitetura da unidade de potência
Uma descrição pormenorizada dos diversos circuitos do sistema é dada a seguir.
3.1.3 Circuito de entrada dos sensores
Trata-se de uma ponte de Weatstone cujos ramos são compostos por resistores fixos e pelo
NTC (1 e 2, para cada ponte respectivamente). A decisão pelo uso do NTC foi baseada nos
seguintes fatores: ligação via dois fios (economia nos conectores); custo baixo no mercado
(comparativamente à PT100 ou sensores semicondutores); ausência de alimentação, aumentando
a imunidade do circuito (não se conhece a priori os caminhos pelos quais passarão os
condutores); pouca relevância no comprimento dos cabos (já que a resistência nominal do NTC é
de 100K Ohms); facilidade mecânica de fixação, já que o NTC pode possuir diversos invólucros.
28
Figura 15 - Circuito de entrada do sistema
A saída de tensão Vo é aplicada a um Amplificador Operacional convencional tipo LM324,
na configuração não inversor. No circuito completo do produto pode-se observar diversos jumps.
Isso permite que, numa outra aplicação do mesmo circuito com sensores a três fios (PT100),
possa-se usar a mesma plataforma. Esse circuito possibilita a medida de dois pontos do sistema
através de 2 NTCs ou dois PT100. É necessário se observar que fatores como essa universalidade
de plataforma permite uma razoável economia no desenvolvimento de produtos.
29
3.1.4 Filtros passa Baixa 2ª. Ordem
Para evitar os ruídos vindos do mundo exterior, utilizou-se um filtro cujo detalhe pode se
visto na Figura 16. A configuração determina uma atenuação de 40 dB por década e a equação e
sua saída é apresentada na fig 16.
Fig. 16 Filtro 2ª. Ordem
Mais uma vez, ao se escolher o LM324 (em substituição ao Amplificador Original da
Fig.16, MCP601), buscou-se a economia na concepção já que o mesmo possui 4 AmpOps no seu
interior (implementação dos amplificadores + filtros). Suas especificações atendem as
necessidades da aplicação.
A saída no filtro é aplicada diretamente à uma entrada analógica do microcontrolador
(PIC18F2455).
3.1.5 Microcontrolador
A conversão é feita a 10 bits de resolução, utilizando-se uma referencia interna de tensão ,
numa taxa de 50 medições por segundo. A escolha deste microcontrolador deveu-se a alguns
fatores ainda ligados à plataforma de testes. Era intenção a substituição de uma comunicação
30
serial RS232 por uma USB. Optou-se assim por um modelo PIC que já possuísse essas
facilidades. No decorrer do projeto porém, essa perspectiva perdeu força e no produto final,
embora esteja previsto no lay-out a interface serial, na prática ela não é utilizada. Ainda, os
24Kbytes de memória Flash do microcontrolador não permitem uma variedade muito grande de
facilidades . Mas como todo o programa foi executado sobre este modelo de hardware,
continuou-se a sua utilização. Seu clock é relativamente baixo (4 MHz) o que resulta em um ciclo
de máquina de 1 micro segundo. Como a velocidade de leitura é bem lenta (temperatura), esses
valores estão plenamente aceitáveis.
3.1.6 IHM
A interface com o operador é feita através de 5 teclas do tipo touch, disponibilizadas através
de um Latch TTL tipo LS373. A opção também foi o resultado de uma análise custo benefício
embora mecanicamente as teclas desse tipo dêem sempre um pouco de trabalho em função de
altura necessária para que fiquem rente à etiqueta de cobertura. Uma rotina simples de debounce
foi implementada para absorver os ruídos por ela gerados. O display é um LCD convencional
com back-light 2 linhas por 16 colunas. As informações apresentadas dependem de cada modo de
operação ou de configuração. Na prática, esse tipo de interface mostrou-se muito interessante. O
objetivo, porém, é a redução do mesmo (desta vez, paradoxalmente, quanto menor, mais caro)
para que o conjunto todo , incluindo fonte de alimentação caibam dentro de uma caixa padrão
4x4 e para que todo o sistema possa ser embutido na parede, sem fios aparentes.
3.1.7 Acionamentos
Dois reles comandados por transistores compõe as saídas de potencia do circuito. Cada rele
pode suportar até 10 A (dado do fabricante). Neste aplicação porém, a corrente exigida dos
31
mesmos não passa de alguns poucos miliamperes já que os mesmos irão sensibilizar os
optoacopladores no estágio de potencia (UP). Circuitos de snubber foram previstos para as saídas.
3.1.8 Relógio de tempo real
Optou-se pelo modelo DS1302 (Maxxim-Dallas), pela disponibilidade da época. Não
possui uma comunicação padrão (SPI ou I2C), por isso foi desenvolvido um driver específico
para esse componente, que não pode dessa forma compartilhar dos barramentos. Possui cristal
próprio e bateria o que assegura operação segura mesmo sem alimentação ou sem supervisão do
microcontrolador. Trata-se de um dos componentes mais importantes do circuito já que irá
determinar os momentos de acionamento e desligamento da UP.
3.1.9 Memória EEPROM externa
Está prevista a possibilidade de armazenamento dos dados colhidos pelos sensores numa
EEPROM não volátil externa (grande capacidade ). Novamente, a universalidade de aplicação faz
prever na PCI diversos periféricos que não necessariamente serão utilizados nesta versão do
sistema, mas que possibilitam o emprego da plataforma em outros tipos de dispositivos .
3.1.10 Fonte de alimentação
Todo o circuito requer as tensão de 5V ou 12V. Os 5V são necessários para os componentes
digitais e os 12V para os analógicos e reles.
Modos de operação
O sistema permite ao usuário 3 modos de operação:
- Modo temporizado;
-Modo Termostato;
-Modo programável;
32
3.2.1 Modo Temporizado
No modo temporizado, o sistema irá acionar uma saída, independentemente da temperatura
da água no interior do Boiler, por um tempo determinado. Esse é o modo mais rudimentar de
operação do sistema. Deve-se ponderar porém, que nem mesmo essa facilidade se apresenta na
maioria dos sistema comercializados (possuem unicamente um termostato). Ainda que simples,
esse modo já pode significar uma substancial economia de energia ao usuário. Isso por que na
maioria das vezes, o acionamento do aquecimento elétrico auxiliar é ligado através de disjuntores
na caixa de disjuntor da residência. O sistema entra então em regime de liga e desliga (ao se
atingir o máximo de temperatura permitida pelo termostato, geralmente 55 graus Celsius).
3.2.2 Modo termostato
No modo termostato, o sistema funciona como um termostato eletrônico no qual se pode
especificar a temperatura desejada da água, independente do horário de utilização e do tempo de
acionamento. Isso torna-se interessante quando o consumo de água é elevado e não há tempo de
aquecimento através da energia solar. Períodos de consumo elevado ou em instalações que devam
prover água quente constante requerem um estudo melhor do balanço energético e a adoção de
soluções alternativas (aquecedores a gás, p.ex). Neste caso, foi pensado sua aplicação em
períodos esporádicos, como por exemplo, no caso de visitas e na necessidade de água quente para
banho e limpeza doméstica. Ainda assim, a temperatura a ser estabelecida com certeza será
menor que a do termostato convencional (55 graus Celsius).
3.2.3 Modo programado
Neste modo o sistema apresenta sua melhor performance, já que evita a maior parte do
disperdício de energia, comum na grande maioria dos sistemas. Através da configuração dos
parâmetros do sistema (volume do boiler, potencia dissipada pelo resistor de aquecimento,
33
rendimento do sistema – isolação térmica, temperatura da água inicial, temperatura da água
desejada e horário de uso da água) o software irá calcular o momento propício para se acionar a
UP, iniciando o aquecimento da água. Com isso, pode-se dispor da mesma no horário e na
temperatura programadas, com uma otimização energética bastante razoável. Além disso, no
sistema há a possibilidade de se prever dois horários, mas pode ser aumentado esse número em
função da utilização. Convém novamente alertar que um sistema de aquecimento solar possui um
tempo de armazenamento de energia bastante longo, principalmente em função das condições de
solarização (observar a região na qual foi instalado o sistema). Assim, soluções alternativas
devem ser consideradas quando o consumo de água é grande. Um banho normal com duração de
15 minutos gasta cerca de 250 Litros de água, utilizando-se ducha. Assim, um boiler
convencional de média capacidade (600L) pode suprir dois banhos com sua temperatura inicial (o
que na prática não ocorre pois, há entrada de água fria tão logo há a utilização da quente,
baixando desde o primeiro litro a temperatura).
Implementação do protótipo
Utilizou-se uma plataforma padrão para se fazer os primeiros ensaios antes de se partir para
uma PCI dedicada.
Essa plataforma apresenta:
- capacidade de conversão A/D de 10 ou 12 bits;
- 4 canais de conversão A/D 12 bits (MCP3204), com comunicação via I2C com o uControlador;
- RTC e memória EEPROM de 32K (para implementação de DataLogger) ;
- LCD e Teclado como IHM;
- 8 Reles de saída;
- Opto-acopladores de entrada;
34
A utilização de uma plataforma padrão facilita muito o trabalho de desenvolvimento, a
medida que se desenvolvem drivers específicos para cada periférico (reunidos uma biblioteca) e
numa aplicação, simplesmente junta-se um conjunto deles compondo o sistema final. Isso
permite ainda uma economia substancial de tempo e a pesquisa então se volta para as
particularidades da aplicação. No caso específico deste desenvolvimento, verificou-se que uma
resolução de 12 bits seria exagerada, já que trabalha-se com precisão na ordem de 1° C.
Verificou-se ainda que a necessidade de processamento do Controlador é relativamente
baixa, já que os dados são de natureza quase estática (temperatura). A Figura 17 ilustra a
Plataforma de ensaios padrão.
Figura 17 - Plataforma de ensaios padrão
No caso da UP, foi necessária a construção de uma PCI dedicada, que serviu de base para o
produto final.
35
Instalação num Sistema de Aquecimento Solar de Testes
Para se implementar um ambiente de testes, foi comprado um sistema convencional de
aquecimento solar, numa empresa fornecedora regularmente ao mercado. Esse sistema, composto
de Boiler com capacidade de 200 l equipado com termostato (Tmax=55°C) e Resistor de
Aquecimento (2500W – 220V) e duas placas coletoras, foi instalado na laje de cobertura da
empresa, como pode ser visualizado na Figura 18.
Figura 18 - Sistema de aquecimento solar de testes
Optou-se por se montar o sistema numa plataforma móvel de forma a permitir total
flexibilidade na movimentação do conjunto. Construiu-se ainda a estrutura de alvenaria para
suportar uma caixa dágua secundária que alimenta o sistema. Optou-se por essa configuração
pois, é a adotada na grande maioria das instalações residenciais, que já possuem caixa dágua
geralmente no forro das casas numa altura propícia à circulação não forçada dágua. De modo a se
testar todas as facilidades propostas no projeto, foi instalada uma pequena bomba para prover o
36
fluxo de água de maneira suplementar. Essa bomba tem duas finalidades, no escopo geral de um
sistema de monitoração e controle de um aquecedor solar:
- Aumentar a eficiência do sistema, já que o papel do termossifão é executado pela bomba;
- Circular a água pelos coletores sempre que a diferença de temperatura entre a água contida no
reservatório e a água contida nos coletores seja superior a 5°C. Essa situação representa a
possibilidade de congelamento dágua no interior dos dutos dos painéis coletores, extremamente
danoso ao sistema, já que os danifica de maneira definitiva, implicando em gastos da ordem de
praticamente um novo sistema completo.
As Figuras 19 e 20 mostram a instalação dos sensores NTC no Boiler e nas placas
coletoras.
Figura 19 - Instalação dos sensores NTC no Boiler
Figura 20 - Instalação dos sensores NTC nas placas coletoras
As conexões entre as partes do sistema são mostradas no esquema da Figura 21.
37
Figura 21 - Conexões entre as partes do sistema
Observa-se que existe somente um cabo tipo manga (7x26AWG) interligando o console de
operação ao módulo de potência (que neste caso foi instalado internamente pelo motivo de que a
laje não possuir cobertura e assim o módulo estar desprotegido – Figura 2.17). Isso vem de
encontro à um dos objetivos básico do sistema que é o de facilitar a instalação do mesmo,
permitindo a passagem de um único cabo através dos dutos (conduítes). Evidentemente, não se
pode afirmar que isso resolva todos os problemas de fiação numa instalação de SAS. Casas
antigas possuem conduítes super-ocupados, muitas de vezes de bitola muito reduzidas (1/2”).
Assim, muitas vezes a passagem de um cabo manga (ainda que de calibre total reduzido –
cerca de 5mm) não é fácil. O ideal para a instalação deste tipo de sistema é a previsão da
canalização necessária já na construção da casa. Projetos populares atuais já prevêem a utilização
de SAS. Assim, todos os aspectos da instalação foram pensados, para permitir que o fabricante:
- mesmo utilizando o sistema proposto (condensando diversos equipamentos num único),
mantenha sua margem de lucro;
- adote o sistema pela sua robustez e facilidade de instalação (menor número de horas de
instalação), aliado à seu custo;
- ofereça-o como diferencial aos seus clientes, que efetivamente economizarão dinheiro com sua
instalação.
38
Capítulo 4
4.1 Desenvolvimento do projeto definitivo
Considerando-se os resultados preliminares colhidos sobre o protótipo, passou-se à
implementação do produto, na sua versão inicial baseada na arquitetura de hardware e software
adotadas no protótipo. Vale lembrar que no transcorrer dessa migração (protótipo – produto)
outras alterações foram feitas devido á detalhes construtivos do produto e a disponibilidade e ou
custos de partes e componentes. Fundamentalmente, porém, pode-se dizer que 95% do
determinado nos estudos iniciais no protótipo serão adotados no produto, no que diz respeito à
sua concepção de hardware e software.
As etapas do produto (lote piloto por enquanto) foram:
- especificação do case (caixa de alojamento) do console e da UP e lay-out de etiquetas;
- lay-out da PCI específica;
- prospecção dos fornecedores e compra dos componentes;
- montagem de lote piloto;
-gravação do software nos chips;
- montagem no sistema de testes (aquecedor), medidas e alterações.
39
4.1.1 Especificação das caixas
Para a caixa do console, optou-se por um modelo plástico usinado. Essa tecnologia é
relativamente nova em nosso país e apresenta um custo de produção compatível com as
características do equipamento. Isso por que não há necessidade de molde de injeção, as peças
são usinadas uma a uma.
A Figura 22 mostra a caixa usinada.
Figura 22 - Caixa usinada
No caso da UP, a preocupação maior foi com a rigidez e confiabilidade da mesma já que irá
trabalhar com tensão VAC 220V e correntes elevadas. Obviamente, deve ser uma caixa não
inflamável e optou-se por um modelo metálico, também desenvolvido sob medida para a
aplicação. As Figuras 23 e 24 mostram respectivamente a caixa do console (plástico usinado) e
unidade de potência (metálica) já com as etiquetas.
40
Figura 23 - Console
Figura 24 – Unidade de Potência
4.1.2Implementação do Hardware
São duas as PCIs utilizadas: a principal (fibra de vidro dupla face), do console e a da UP
(simples face, fenolite). O lay-out foi desenvolvido a partir de componentes tipo DIP.
Todos os componentes foram comprados no mercado nacional como forma de garantir a
viabilidade de produção do lote comercial. Montou-se 4 peças do produto para se fazer os testes .
As montagens forma feitas internamente, mas no caso de produção em maior escala, utiliza-se
normalmente os serviços de empresas de montagem cuja qualidade pode ser exigida e cujos
preços são sempre melhores que os conseguidos com a a implantação de uma linha de montagem
41
própria. No caso da gravação dos microcontroladores, sendo eles DIP, foram gravados através de
dispositivos convencionais de gravação (PICSTART). Numa produção maior, deve-se optar pela
tecnologia SMD (o que reduz substancialmente os custos). Neste caso, deve-se prever na PCI um
conector para a gravação do software (ISP). O lote piloto foi montado e instalado junto ao
sistema do aquecedor para que os dados obtidos pudessem ser avaliados.
4.2 Implementação do software
Utilizou-se a linguagem C através do compilador CCS rodando sobre a plataforma MPLAB da
Microchip. O fluxogama do programa pode ser visualizado abaixo:
Fig. 25 – Fluxograma de Software
42
Capítulo 5
5.1 Levantamento dos dados experimentais nos dois tipos de instalações
Foram tomadas medidas de tempo e temperatura em dois sistemas de aquecimento solar,
um com a capacidade de 200 litros (sistema instalado somente para se fazer os testes no
desenvolvimento do produto) e outro com capacidade de 600 litros, instalado em residência, com
os ciclos de funcionamento condizentes com as necessidade diárias de uma residência normal,
com 4 pessoas ( 2 adultos e duas crianças).
Os Boilers possuem resistências de aquecimento elétrico de 3000 W (600 litros) e 2500
W (200 litros).
Os sensores NTC estão instalados na parede de aço dos boilers (temperatura da água) e
junto ao coletor (temperatura ambiente). Sua conexão ao sistema dá-se através de cabo manga
7x26 AWG, numa extensão de aproximadamente 10 metros nos dois casos. Esse cabo conduz
além do sinal de temperatura captado pelos sensores, as tensões de chaveamento dos reles de
atuação de Bomba Auxiliar e de Aquecimento do Boiler (12VDC).
As medidas efetuadas serviram de base para a parametrização dos modos de
funcionamento do sistema, especialmente no modo Programado, no qual o mesmo deve prover
água aquecida à temperatura desejada, no momento de uso especificado pelo usuário (2 horários
diários).
43
5.1.1 Ciclo de aquecimento
Os gráficos abaixo mostram o comportamento da temperatura da água em função do
tempo, sob determinada temperatura ambiente.
Ciclo de aquecimento Tamb=19°C B=600 litros
0
5
10
15
20
25
30
35
40
22:30 22:35 22:40 22:45 22:50 22:55 23:00 23:05 23:10 23:15 23:19
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 1 – Ciclo de aquecimento boiler 600 litros
Ciclo de aquecimento Tamb=19°C B= 200 litros
0
10
20
30
40
50
08:4
5
08:5
0
08:5
5
09:0
0
09:0
5
09:1
0
09:1
5
09:2
0
09:2
5
09:3
0
09:3
5
09:4
0
09:4
5
09:5
0
09:5
5
10:0
0
10:0
5
10:1
0
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 1- Ciclo de aquecimento boiler 200 litros
A temperatura na qual foram efetuados os testes (19°C), é a mesma percebida nos dias de baixa
insolação. Observou-se que a temperatura ambiente não influencia o tempo de aquecimento de
44
maneira perceptível. Observou-se sim uma velocidade de aquecimento maior (para as duas
capacidades volumétricas dos boilers testadas), para temperaturas de água mais baixas:
- coeficiente de aquecimento de 25°C a 30°C = 10°C/Hora
- coeficiente de aquecimento de 30°C a 45°C = 8°C/Hora
- Coeficiente de temperatura de 50°C a 55°C = 7,14°C/Hora
Considerando-se o regime de trabalho diário do sistema, quando as temperaturas dágua
dificilmente cairão abaixo de 30°, com teto máximo de temperatura de 45°, para o caso de
capacidade volumétrica do boiler de 600 litros, será usado o fator único de 8°C/Hora. Esse fator é
de vital importância no calculo dos tempos de ativação da resistência do boiler.
5.1.2 Ciclos de resfriamento normal (à noite ou com muito baixa insolação)
Seguem os gráficos obtidos nos dois tipos de boiler (600 e 200 litros)
Perda de calor normal Tamb=19°C Boiler=600 litros
37383940414243
20:17 21:15 22:08 00:38
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 3 – Perda de calor normal boiler 600 litros
45
Perda de calor normal Tamb= 19°C B=200 litros
26283032343638
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 4 – Perda de calor normal boiler 200 litros
Observa-se que a velocidade de resfriamento do sistema depende da temperatura ambiente,
conforme mostra o gráfico abaixo, onde:
T1= 12°C
T2= 14°C
T3= 17°C
Gráfico 5 – Variação do coeficiente de resfriamento normal x temperatura
Variação do Coeficiente de Resfriamento normal com a temperatura (B=600 litros)
0,000,501,001,502,002,50
1 2 3
Temperatura
Cf
46
5.1.3 Ciclos de resfriamento forçado (banho)
Os gráficos abaixo irão mostrar a velocidade de resfriamento da água no interior do boiler em
função do tempo de duração do banho. Deve-se observar porém que nesta compilação de dados,
tomou-se como base um chuveiro tipo ducha (diâmetro= 25 cm), com grande vazão de água. Esse
é um detalhe importante pois dependendo da vazão, o coeficiente irá variar também.
Este parâmetro irá ser utilizado no cálculo da economia conseguida através da utilização do
sistema de controle numa residência convencional, com este tipo de chuveiro e correspondente
vazão.
Perda de calor (banho) - Tamb=19°C B= 600 litros
0
10
20
30
40
22:00 22:05 22:10 22:15 22:20 22:25
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 6 – Perda de calor – banho – boiler 600 litros
47
Perda de calor (banho) Tamb= 19°C B=200 litros
0
10
20
30
40
50
08:00 08:05 08:10 08:15 08:20
Horário
Tem
per
atu
ra
Gráfico 7 – Perda de calor – banho – boiler 200 litros
Considerando-se que um banho normal demora de 5 a 15 minutos, a influência da temperatura
ambiente não foi significativa .
Observou-se em todos os ensaios de resfriamento que a quantidade de placas coletoras, assim
como da extensão dos dutos de condução dágua contribuiu de maneira significativa nos valores
dos coeficientes de resfriamento normal do boilers.
Coeficiente de resfriamento para o boiler de 200 litros: 0,55 °C/hora
Coeficiente de resfriamento para o boiler de 600 litros: 0,73 °C/hora
(Temperatura ambiente = 19°C)
5.2 Metodologia de cálculo dos parâmetros de software
5.2.1- Modo temporizado
Para este modo, os parâmetros necessários são o tempo desejado de ativação (iniciado pelo
usuário através do teclado) e a temperatura máxima da água do boiler desejada. O sistema contará
48
tempo e monitorará a temperatura. Sendo esta atingida, antes do termino do tempo programado, o
sistema passará a atuar como termostado, até o final desse tempo.
5.2.2 - Modo termostato
Neste modo necessita-se somente da temperatura da água no interior do boiler. Trata-se de um
modo convencional, em substituição ao termostato já original do sistema de aquecimento (que
por medida de segurança, permanece como parte integrante do sistema). A Histerese assumida é
de 3°C (parâmetro fixo).
Para esses dois modos mais simples, deve-se observar a precisão das medidas de temperatura
(tabela xx), não havendo outra fonte de erros (os tempos são definidos pelo clock co
Microcontrolador, não havendo dessa forma desvio considerável dentro dos tempos normalmente
desejados de atuação (modo temporizado). No modo programado, o acompanhamento de tempo é
feito através do RTC (com base de tempo a cristal), sendo então muito preciso, já que neste caso
nem mesmos os erros provenientes do processamento de código pelo compilador ocorrem
5.2.3 Modo programado: fórmula para cálculo do tempo
Define-se que a fórmula é da forma:
( )bTTCt −=min
onde tmin é o tempo em minutos, C é uma constante, T é a temperatura desejada e Tb é a
temperatura atual do boiler.
Constante C
A constante C depende tanto do volume do boiler quanto da potência da resistência,
portanto:
49
relativap
relativov
p
v
PVP
VC
1=== αβααα
Para determinar a constante β, realizou-se alguns ensaios em dois boilers de volume
diferente. Dessa forma obteve-se um gráfico relacionando o volume e a velocidade de
aquecimento do boiler:
Volume x V_aquecimento
Boiler 1
Boiler 2
0100200300400500600700
8 12
V_aquecimento (ºC/h)
Vo
lum
e
Gráfico 8 – Volume x Velocidade de aquecimento
Definindo-se 200L como o volume de referência e 12 ºC/h a velocidade de aquecimento
de referência, criou-se um gráfico relacionando o volume relativo dos boilers (Vrel=Vb/Vref) e o
tempo que cada boiler leva para aquecer 12 ºC.
V_rel x Horas
Boiler 1
Boiler 2
00,5
11,5
22,5
33,5
1 1,5
Horas (h)
Vo
lum
e_re
lati
vo (
V/V
)
Gráfico 9 – Volume relativo x Horas
50
Sendo assim, define-se β como sendo o coeficiente angular da reta apresentada no
gráfico acima, portanto:
415,1
13 =−−=β
Logo:
02,0200
4 ==vα
Para determinar a constante pα , definine-se como potência relativa 2500W, que é a
potência do boiler de 200L (volume relativo). Portanto:
0004,02500
1 ==pα
Definidas todas as constantes, tem-se que:
P
V
P
V
P
VC
p
v 50*0004,0
*02,0 ===αα
Portanto, a fórmula final para cálculo do tempo de aquecimento é:
( )bTTP
Vt −=50min
5.3 Resultados obtidos
51
Basicamente quatro resultados deverão ser avaliados : precisão da leitura de temperaturas ,
temporização , acionamentos e histerese e disponibilidade de água na temperatura desejada no
tempo desejado, o que comprovam o funcionamento do sistema em seus diversos modos de
operação.
- Leitura de temperatura: utilizando-se um NTC de 100K Ohm, obteve-se as seguintes leituras,
comparativamente a um medidor de temperatura PIXIS Mod. Xxx. O ensaio foi realizado numa
bancada de testes especialmente desenvolvida para ensaios de temperatura possuindo:
- sensor NTC padrão;
- sensor NTC a ser utilizado no sistema;
- conjunto resistores de potência-dissipador suporte para os sensores;
- fonte de alimentação ajustável para suprir a corrente do conjunto de aquecimento;
- medido digital PIXIs;
A Figura 26 mostra a bancada utilizada.
Figura 26. Bancada utilizada
Os resultados de leitura de temperatura obtidos estão apresentados na Tabela 2.
52
Medida Controlador PIXIs Erro1 2 2 02 12 12 03 16 16 04 21 21 05 28 27 16 35 33 27 47 45 28 52 50 29 56 54 210 62 60 2
Tabela 2 - Resultados obtidos da leitura de temperatura
Na faixa de utilização, o erro máximo foi de 2°C. Aí devem-se considerar alguns fatores:
erros de leitura devido ao erro inerente à apresentação (somente 2 digitos, sem casa decimal);
acoplamento térmico entre o NTC e o corpo irradiante de calor, erros devido à linearização de
faixa do NTC. As medições foram realizadas utilizando-se média móvel para uma melhor
estabilidade do resultado. Assim, foram tomadas 200 medidas e feita a média. Isso evita
discrepâncias de leitura ocasionadas por espúrios e ruídos. Num sistema com a finalidade a que
se propõe, nos parece um erro muito aceitável, lembrando-se que a temperatura do banho não
deverá ultrapassar 45ºC.
No teste de temporização, considerando-se a utilização de um RTC de mercado, comandado
a cristal, como base de tempo, não foi feito um ensaio haja visto que o sistema possui em sua
apresentação no display o horário corrente e não foi constatado no mesmo qualquer desvio digno
de nota.
Na avaliação do modo termostato, os erros foram de mesma magnitude dos apontados na
tabela acima, já que não existe qualquer intervenção do software (ou hardware) sobre as medidas
e tão somente a comparação delas com um valor pré-programado. Optou-se por uma histerese de
3 Graus Celsius para se evitar um constante liga-desliga do sistema de aquecimento, com geração
53
de possíveis transientes na rede. Além disso, esse valor é praticamente imperceptível ao usuário
que normalmente tempera a água a seu gosto e não a utiliza na temperatura máxima do ajuste.
No teste do modo programável, programou-se o sistema para uma performance de um
sistema o mais próximo possível do real, baseados em nossa instalação de teste (resistor de
aquecimento de 2500W, Boiler com capacidade de 200L) e residencial (boiler de 600 litros e
resistor de 3000W). Os resultados obtidos ,nos dois horários programados, 9:00 e 17:00 Hs,
estão apresentados nas Tabela 3 e 4. O próprio dispositivo foi utilizado para medir a temperatura,
já que se conhece seu erro e este não tem influencia, já que são este afeta igualmente as
temperaturas programadas e medidas.
Tabela 3 - Resultados obtidos no modo programável – Boiler 200 litros
Horário de utilização
Temperatura progr.
Temperatura Med.
Horário de ativação
Erro °C Tempo de termostato
9:00 48 47 7:33 1° C 27 min17:00 48 48 16:28 0° C 05 min
Da mesma forma , foram efetuados testes com outro sistema instalado numa residência com
boiler de 600 litros. O resultado pode ser visto na tabela 1.4
Tabela 4 - Resultados obtidos no modo programável – Boiler 600 litros
Horário de utilização
Temperatura progr.
Temperatura Med.
Horário de ativação
Erro °C Tempo de termostato
9:00 48 46 8:17 2 00:09:0017:00 48 47 16:37 1 00:04:00
Como tempo de termostato entenda-se o tempo que o dispositivo operou no modo
termostato, após atingir a temperatura desejada.
A diferença de valores de erro pode ser atribuída ao fato de que pela manhã a água está
mais fria que à tarde e o sistema precisa ser ligado com maior antecedência para elevar sua
temperatura até o valor desejado. À tarde, a diferença entre as temperaturas é menor (houve
aquecimento durante o dia) e as perdas são menos significativas.
54
Capítulo 6 Melhorias alcançadas
Devemos comparar o total de energia que seria gasto para se obter a comodidade da
disponibilidade de água quente nas duas configurações de um Sistema de Aquecimento :
convencional (somente com o termostato) e com a implantação do sistema eletrônico proposto
neste trabalho. Nos dois casos, iremos considerar uma insolação insuficiente para alterar o valor
de temperatura da água contida no boiler
Condições gerais para utilização do sistema convencional:
- Temperatura inicial da água: 30°C
- Temperatura desejada do banho: 40°C
- duração do banho: 10 minutos
- ciclo de 4 dias sem insolação
- histerese do termostato: 5°C
- temperatura máxima (termostato): 55°C
- temperatura ambiente: 19°C
- horários desejados de banho : 7:00 e 19:00 Hs
1º Caso: Boiler de 200 litros
55
Temp. inicial = 30°C
Horário de ativação do resistor de aquecimento: logo após o banho do dia anterior = 19:30 Hs
Modo convencional - Boiler 200L
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
19:30:00
21:30:00
00:00:00
03:00:00
06:00:00
08:00:00
10:00:00
13:00:00
16:00:00
18:10:00
20:00:00
23:00:00
02:00:00
05:00:00
07:10:00
09:00:00
12:00:00
15:00:00
18:00:00
20:00:00
Horário
Tem
pera
tura
Gráfico 10 – Aquecimento modo convencional boiler 200 litros
Modo Programado (KW700) - Boiler 200L
0,005,00
10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,0045,00
19:30:00
21:00:00
23:00:00
01:00:00
03:00:00
05:00:00
06:00:00
07:10:00
09:00:00
11:00:00
13:00:00
15:00:00
17:44:00
19:00:00
20:00:00
22:00:00
00:00:00
Horário
Tem
pera
tura
Gráfico 11 – Aquecimento modo programado boiler 200 litros
2. Caso: Boiler 600 Litros
56
Modo Convencional - Boiler 600L
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,0019
:30:00
21:45:00
23:00:00
02:00:00
04:22:00
06:00:00
07:10:00
10:00:00
13:00:00
15:24:00
18:00:00
19:10:00
22:00:00
01:00:00
03:24:00
06:00:00
07:10:00
09:00:00
12:00:00
15:00:00
17:00:00
19:06:00
20:00:00
23:00:00
Horário
Tem
pera
tura
Gráfico 12 – Aquecimento modo convencional boiler 600 litros
Modo Programado (KW700) - Boiler 600L
0,005,00
10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,0045,00
19:30:00
21:00:00
23:00:00
01:00:00
03:00:00
05:00:00
06:00:00
07:10:00
09:00:00
11:00:00
13:00:00
15:00:00
15:00:00
17:00:00
18:00:00
19:10:00
21:00:00
23:00:00
Horário
Tem
pera
tura
Gráfico 13 – Aquecimento modo programado boiler 600 litros
6.1 Conclusão
No caso do Boiler de 200 litros, observou-se que a velocidade de resfriamento foi menor do que
com o boiler maior (600 litros). Isso deveu-se ao fato de que , por ser um sistema de testes, os
elementos dissipativos no sistema são em menor número (2 placas coletoras contra 7 no sistema
de 600 litros), além dos encanamentos de cobre que se distribuem ao longo da instalação da
residência e que carregam o calor da água.
Baseado-se nas planilhas de cálculo de ciclos de ativação, que deram origem aos gráficos, a
quantidade de horas nas quais o resistor de aquecimento do boiler (200 litros) permaneceu ligado
57
no modo convencional foi de 10,28 horas.Observando-se o gráfico 11, a quantidade de horas para
o mesmo boiler, porém no modo programado no dispositivo, essa quantidade baixou para 7,21
horas. Dessa forma, neste caso, observou-se uma economia de energia de 30 %.
No caso de um sistema com boiler de 600 litros , o calculo das horas de ativação, no modo
convencional (termostato= 55º) resultou em 13,36 horas. Com a utilização do equipamento, esse
valor baixou para 10,12 horas, resultando numa economia de 25 %.Vale observar dois fatos:
- no modo programado, ao se atingir a temperatura desejada, o dispositivo passa automaticamente
para o modo Termostato (até atingir o horário desejado). Significa que mesmo erros no calculo de
tempo de ativação do resistor (por variação de algum parâmetro de cálculo) terão pouca
importância na temperatura desejada no horário, já que a perda de calor, em uma hora ,é
relativamente baixa e o modo termostato irá compensar caso esse erro chegue ao valor de
histerese do dispositivo (3ºC).
- mesmo no modo termostato, abserva-se já uma economia significativa. De fato, não há (em
condições normais de uso, para uma família de 4 pessoas) a necessidade de se aquecer a água até
55°C. Observou-se que a perda de calor nessa faixa de temperatura é maior e o tempo para se
atingir 55º partindo-se de 50º é maior que o para se atingir de 35° a 40°. Mesmo que não se
deseje utilizar o modo programado por falta de uma periodicidade definida de uso, a utlização
eventual do modo termostato coma temperatura em 40° já resulta numa economia significativa.
- em todos os modos, a temperatura máxima que se pode deixar aquecer a água do boiler é de 50°
C. Manteve-se, por medida de segurança, o termostato original instalado junto ao boiler.
Assim, a aplicação do dispositivo eletrônico sob essas condições mostrou-se vantajosa . Cabe
notar que a utilização da água aquecida num sistema por energia solar pode variar muito, de
pessoa para pessoa, de residência para residência. Também as condições gerais de instalação do
sistema e seu dimensionamento contam bastante na performance do sistema como um todo.
58
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para aquecimento de água em habitações de interesse social: resumo. São Paulo,
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LIMA, J.B.A., Otimização de sistemas de aquecimento solar em edificações residenciais
unifamiliares utilizando o programa TRNSYS – EPUSP - 2003
60
Anexo I
61