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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
ALAN PORTUGAL FERNADES DA CUNHA
ANÁLISE DE VIABILIDADE PARA INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR: ESTUDO DE CASO EM EDIFÍCIO
RESIDENCIAL NA CIDADE DE SALVADOR.
Salvador
2016
ALAN PORTUGAL FERNANDES DA CUNHA
ANÁLISE DE VIABILIDADE PARA INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR: ESTUDO DE CASO EM EDIFÍCIO
RESIDENCIAL NA CIDADE DE SALVADOR.
Monografia apresentada ao Curso de
Graduação em Engenharia Civil, Escola
Politécnica, Universidade Federal da Bahia,
como requisito parcial para obtenção do grau
de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Emerson de Andrade
Marques Ferreira
Salvador
2016
AGRADECIMENTOS
Ao Divino, pela oportunidade da vida e por colocar, diariamente, desafios que nos
façam crescer.
Ao Professor Emerson Ferreira, pelo apoio e orientação para a execução deste
trabalho.
Aos meus pais Carlos Eduardo e Sefisa Natália, meus irmãos Ilanna e Igor, e toda
a minha família pelo carinho e compreensão durante o decorrer desta etapa.
A todos os professores pelo conhecimento concedido para que se tornasse
possível esta graduação.
Aos bons amigos e colegas que estiveram comigo durante o período da
faculdade.
“Repartir o conhecimento é
uma forma de alcançar a
imortalidade.” Dalai Lama
FERNANDES DA CUNHA, Alan Portugal. ANÁLISE DE VIABILIDADE PARA
INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR: ESTUDO DE CASO EM
EDIFÍCIO RESIDENCIAL NA CIDADE DE SALVADOR. 81 f. Il. 2016. Monografia
(Trabalho de Conclusão de Curso) – Escola Politécnica, Universidade Federal da
Bahia, Salvador, 2016.
RESUMO
A constante busca pelo desenvolvimento econômico de maneira sustentável tem se
tornado imperativo nas principais linhas de frente de decisão do país. Entretanto, é
de suma importância que a população também esteja adepta a adquirir novos meios
de tecnologia para que o “Desenvolvimento Sustentável” ocorra de maneira mais
concisa. A atuação da energia solar térmica como alternativa mais sustentável para
o aquecimento de água possibilita uma drástica redução da energia elétrica
demandada para esta atividade e promove melhor aproveitamento desse tipo de
energia. O presente trabalho visa avaliar a viabilidade técnica e econômica para um
sistema coletivo de aquecimento de água utilizando da energia solar térmica como
sua principal fonte energética. A pesquisa consiste em um estudo a respeito do
sistema de aquecimento implantado em um edifício residencial de luxo na cidade de
Salvador, Bahia. A metodologia utilizada parte do estudo de caso do
empreendimento, analisando as características técnicas, os custos de implantação
do sistema de aquecimento solar e a economia de energia elétrica quando
comparada com outros sistemas de aquecimento de água convencionais. Os
resultados obtidos refletem a proposta inicial do trabalho e podem ser utilizados
tanto por adeptos interessados no sistema de aquecimento proposto como por
empreendedores no setor.
Palavras-chave: aquecimento solar de água, energia solar, sustentabilidade, tempo
de retorno de investimento.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Fluxograma das Aplicações da Energia Solar.......................................26
Figura 2 – Regiões do Brasil e Radiação Média Diária..........................................27
Figura 3 – Esquema Geral para Sistemas de Aquecimento Solar.........................31
Figura 4 – Fatores de uso para dimensionamento de Boilers em residências.......35
Figura 5 – Informações técnicas dos reservatórios térmicos..................................35
Figura 6 – Ligação dos coletores............................................................................38
Figura 7 – Ligação de conjuntos de coletores em série.........................................38
Figura 8 – Ligação de conjuntos de coletores em paralelo....................................39
Figura 9 – Trajetória do sol e desvio do Norte geográfico......................................40
Figura 10 – Esquema de chuveiro elétrico blindado...............................................41
Figura 11 – Edifício em estudo (Ilustração de lançamento) .................................. 45
Figura 12 – Planta de situação dos coletores (Planta baixa cobertura)................ 46
Figura 13 – Corte AA da planta de situação dos coletores.................................... 47
Figura 14 – Arranjo dos coletores (sistema nascente)...........................................48
Figura 15 – Arranjo dos coletores (sistema centro)................................................49
Figura 16 – Arranjo dos reservatórios térmicos......................................................50
Figura 17 – Fotografia dos coletores do sistema poente (vista superior)...............52
Figura 18 – Fotografia dos coletores do sistema poente (vista frontal)..................53
Figura 19 – Fotografia dos reservatórios térmicos.................................................53
Figura 20 – Fotografia do sistema auxiliar de aquecimento...................................54
Figura 21- Fluxo de caixa previsto para o investimento realizado..........................70
Figura 22 - Fluxo de caixa e representação do saldo em caixa em curva.............73
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Custos para implantação do sistema no edifício em estudo.................57
Tabela 2 – Quantidade e potência dos equipamentos instalados no S.A.S...........59
Tabela 3 – Cálculo do consumo anual de energia elétrica total do S.A.S. do
edifício.....................................................................................................................59
Tabela 4 – Consumo de energia elétrica total e consumo por apartamento...........60
Tabela 5 – Investimento inicial para instalação do sistema de aquecimento
unicamente com aparelhos eletrônicos...................................................................65
Tabela 6 – Quantidade e potência dos equipamentos selecionados......................66
Tabela 7 – Cálculo do consumo anual de energia elétrica total do edifício............66
Tabela 8 – Consumo de energia elétrica total e consumo por apartamento...........66
Tabela 9 – Comparação de Investimento para os diferentes sistemas de
aquecimento............................................................................................................68
Tabela 10 – Demonstração do resultado de caixa para comparação de
investimento.............................................................................................................69
Tabela 11 – Saldo acumulado de caixa no final de cada período...........................72
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Metodologia do Trabalho.....................................................................44
Quadro 2 – Custos de reposição para o S.A.S. e vida útil dos equipamentos.......61
Quadro 3 – Previsão total de Investimento para o S.A.S.......................................62
Quadro 4 – Quadro de classes de potencia de chuveiros elétricos para diferentes
regiões do Brasil......................................................................................................64
Quadro 5 – Custos de reposição para os equipamentos individuais de
aquecimento e vida útil dos aparelhos....................................................................68
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 10
1.1. OBJETIVOS ............................................................................................... 12
1.2. JUSTIFICATIVA ......................................................................................... 12
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................. 14
2. SUSTENTABILIDADE EM GESTÃO DE ENERGIA ......................................... 16
2.1. O Conceito “Sustentável” ........................................................................ 16
2.2. Eficiência energética e utilização sustentável da energia: ................... 18
2.3. Conforto Térmico: ..................................................................................... 20
2.4. Energia solar: ............................................................................................ 23
3. SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA ...................................................... 28
3.1. O Sistema de Aquecimento Solar: Componentes e Características
Técnicas ............................................................................................................... 30
3.1.1. Componentes do Sistema: ................................................................... 32
3.1.2. Características Técnicas do Sistema de Aquecimento Solar ............ 37
3.2. Sistemas individuais a base de energia elétrica .................................... 41
4. METODOLOGIA ................................................................................................ 43
5. ESTUDO DO PROJETO DO EMPREENDIMENTO .......................................... 45
5.1. Apresentação do Empreendimento: ........................................................ 45
5.2. Apresentação e características técnicas do sistema de aquecimento
solar implantado no edifício em estudo: ........................................................... 46
5.3. Levantamento Fotográfico ....................................................................... 52
5.4. Análise de viabilidade técnica sobre implantação do sistema no
empreendimento: ................................................................................................. 55
6. VIABILIDADE ECONÔMICA DO INVESTIMENTO SOBRE O SISTEMA DE
AQUECIMENTO SOLAR .......................................................................................... 57
6.1. Custo de Investimento sobre o Sistema de Aquecimento Solar: ......... 57
6.1.1 Custo Inicial de Implantação do S.A.S.: .................................................... 57
6.1.2 Custos Operacionais do Sistema de Aquecimento Solar: ......................... 59
6.1.3 Custos de Manutenção do Sistema de Aquecimento Solar: ..................... 60
6.1.4 Custos de Reposição e Vida Útil dos Equipamentos do Sistema de
Aquecimento Solar: ............................................................................................ 60
6.2. Simulação de Investimento para sistema de aquecimento individual . 62
6.2.1 Custo inicial dos aparelhos individuais de aquecimento: .......................... 63
6.2.2 Custo Operacional dos aparelhos individuais de aquecimento: ................ 65
6.2.3 Custo de Manutenção dos aparelhos individuais de aquecimento: ........... 66
6.2.4 Custos de Reposição e Vida Útil dos Aparelhos Individuais de
Aquecimento: ..................................................................................................... 67
6.3. Apresentação do fluxo de caixa diferencial dos dois sistemas: .......... 69
6.4. Critérios de viabilidade econômica para o investimento em estudo: .. 71
6.4.1 Cálculo do Tempo de retorno de investimento (Payback): ........................ 71
6.4.2 Cálculo do Valor Presente Liquido (VPL): ................................................. 74
6.4.3 Cálculo da Taxa Interna de Retorno (TIR): ............................................... 75
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 76
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 78
10
1. INTRODUÇÃO
A sociedade brasileira neste início do século XXI dedica atenção e
preocupação com os recursos naturais e a sustentabilidade das ações humanas em
relação ao meio ambiente.
Para o ainda atual Furtado (1992), o desafio que se coloca no umbral do
século XXI é nada menos do que mudar o curso da civilização, deslocar o seu eixo
da lógica dos meios a serviço da acumulação, num curto horizonte de tempo, para
uma lógica dos fins em função do bem-estar social. Ainda segundo o mesmo autor,
devem-se estabelecer novas prioridades para a ação política em função de uma
nova concepção do desenvolvimento, posto ao alcance de todas as sociedades e
capaz de preservar o equilíbrio ecológico.
Portanto, é de suma importância, e já vivenciado em pequenas dimensões
na sociedade atual, medidas que substituam o interesse prioritário financeiro para as
medidas que priorizem em sua relevância social e ambiental.
De certa maneira, esta transição acontece gradualmente e o conceito de
“Desenvolvimento Sustentável” do Relatório Brundtland 1 (WCED, 1987), onde é
proposto um desenvolvimento econômico simultâneo com as medidas ecológicas e
sócias já está presente na grande maioria dos novos projetos.
A atuação da energia solar térmica como alternativa sustentável para o
aquecimento de água possibilita uma drástica redução da energia elétrica
demandada para esta atividade e promove melhor aproveitamento desse tipo de
energia. Essa simples ação consciente e estratégica promove benefícios ambientais
e econômicos para os consumidores e para o setor elétrico.
O mercado brasileiro de aquecedores de água solar teve inicio nos anos
1970 impulsionado com a crise do petróleo, sendo à época caracterizado por uma
1 Relatório de Bundtland é o documento intitulado Nosso Futuro Comum (Our Common Future), publicado em 1987. Nesse documento, o desenvolvimento sustentável é concebido como: “o desenvolvimento que satisfaz as necessidades presentes, sem comprometer a capacidade das gerações futuras de suprir suas próprias necessidades.” O relatório aponta para a incompatibilidade entre desenvolvimento sustentável e os padrões de consumo vigentes.
11
grande dose de idealismo por parte de seus empreendedores. Porém apenas nos
anos 1990, o crescimento do mercado ocorreu a taxas mais significativas, sendo
acompanhadas de maior profissionalização, desenvolvimento tecnológico e
comercial.
Apesar do aquecimento solar atuar mais significativamente no mercado
brasileiro a mais de 20 anos, o fator de penetração desta tecnologia é praticamente
insignificante, representando apenas 0,4% das residências brasileiras. A Pesquisa
de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso da Eletrobras Procel (2012),
demonstra que frente aos 0,4% das residências que utilizam o aquecimento solar,
73,5% das residências utilizam a eletricidade como fonte de energia para este
aquecimento, enquanto 17,5% das residências ainda não aquecem água.
Frente aos fatos apresentados, a motivação para escrever este trabalho
vem da necessidade de conscientizar os interessados em desenvolver
empreendimentos que visam modos de vida sustentável para seus moradores e
também núcleos familiares que visam investir em sistemas que promovam economia
de suas despesas com energia elétrica.
A conscientização por parte deste trabalho se estabelece no estudo tanto
da viabilidade técnica para implantação do sistema de aquecimento solar, quanto da
viabilidade econômica, sua economia de energia ao longo dos anos, e em quanto
tempo o investimento inicial pode ser reposto.
12
1.1. OBJETIVOS
Neste trabalho são avaliados fatores de viabilidade técnica e econômica à
respeito da alternativa de instalação do sistema de aquecimento de água baseada
na utilização de energia solar térmica em comparação com o sistema convencional
de aquecedores eletrônicos individuais para um edifício residencial.
Objetivo Geral:
Analisar a viabilidade para instalação de sistema de aquecimento
solar em edificações.
Objetivos Específicos:
Aprimorar conhecimentos sobre o projeto e funcionamento do
sistema de aquecimento solar de água em edificações.
Avaliar a viabilidade técnica de implantação de sistema de
aquecimento de água com energia solar térmica.
Avaliar a viabilidade econômica de implantação do sistema de
aquecimento de água com energia solar térmica.
Apresentar recomendações para o processo de seleção do sistema
de aquecimento de água em edificações.
1.2. JUSTIFICATIVA
Com chegada do primeiro século do novo milênio respaldada em fatores
de preocupação ecológica e ambiental, foi presenciada uma grande conscientização
por parte dos governos e população sobre o uso mais racional dos recursos naturais
presentes em nosso meio-ambiente. Desta forma, muito se presenciou com
aparecimento de novas tecnologias que otimizaram e transformaram a matriz
13
energética vigente no país. Entretanto, mesmo com a evolução em diversos setores
do país, o setor de aquecimento de água em residências não presenciou fortes
transformações.
Segundo a Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso
(Eletrobras Procel, 2007), o uso de energia elétrica para o aquecimento de água
para o banho é recorrente em 73,5% dos domicílios brasileiros e destes, 99,6%
quase a totalidade, utilizam o chuveiro elétrico para tal fim.
Estudos divulgados por várias concessionárias de energia elétrica do país
caracterizam o chuveiro elétrico como uma carga que contribui, de forma acentuada,
para o aumento da demanda de potência ao sistema elétrico no horário de ponta,
período este composto por três horas diárias consecutivas definidas pela
distribuidora, considerando a curva de carga de seu sistema elétrico de acordo com
a Resolução Normativa nº 414 (Aneel, 2010). Este problema é decorrente do fato de
que os banhos dos brasileiros ocorrerem geralmente nesse horário.
Com a finalidade de atenuar essa situação, diversas concessionárias tem
realizado a instalação de sistemas de aquecimento solar (SAS) em residências de
clientes de baixa renda e instituições filantrópicas, fazendo uso da verba dos
programas de eficiência energética.
A utilização de aquecedor solar para o aquecimento de água para banho,
além de utilizar o sol como fonte de energia (limpa e gratuita), não compromete o
conforto e a qualidade de vida dos usuários e traz benefícios para a sociedade nos
seus diversos segmentos. As concessionárias de distribuição de energia elétrica
reduzem a demanda no horário de ponta, diminuindo a necessidade de
investimentos na ampliação da capacidade instalada.
O Brasil, é um dos países com maior potência de energia solar do mundo
devido a valores representativos de média de irradiação solar por m². Na região
Nordeste, além de possuir os maiores valores e irradiação, com valores máximos na
região central da Bahia e noroeste de Minas Gerais, outro fator que influencia muito
também e torna-se um grande diferencial, é que a região também possui a menor
variabilidade anual em relação ao clima.
Atualmente, existem países onde a potência instalada é muito superior a
do Brasil mesmo possuindo índices de irradiação solar muito inferior. Um bom
exemplo disso é a Alemanha, que possui já, em média, 35.000MW de potência
instalada, possuindo uma média de irradiação solar diária de 2,5Wh/m² enquanto no
14
nordeste brasileiro, esta média é de 5,9Wh/m² (Atlas Brasileiro de Energia Solar,
2006).
Apesar das vantagens da tecnologia solar para aquecimento de água e
do grande potencial do país neste setor, a presença do aquecedor solar ainda é
insignificante, com presença em menos de 1% das residências brasileiras
(Eletrobras Procel, 2007).
Este trabalho visa ampliar conhecimentos e discussões a respeito do
assunto fazendo com que ainda mais pessoas tomem conhecimento dos benefícios
desta tecnologia. O presente trabalho teve contribuição de uma experiência iniciada
em 2013 em ter a construtora ousado declinar de uma pratica tradicional para adotar
uma iniciativa sustentável, pretendendo ao final do estudo, avaliar a viabilidade
desta iniciativa.
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em sete principais capítulos:
No Capítulo 1 é realizada uma introdução dos conceitos abordados, são
descritos os objetivos gerais e específicos do trabalho e uma breve justificativa pelo
qual ele foi executado.
No Capítulo 2 são expostas as revisões da literatura base realizadas
sobre a sustentabilidade nos dias atuais, sobre eficiência energética e uma
explanação a respeito da necessidade humana pelo conforto térmico. É explicitada
também a energia solar como alternativa sustentável no mercado brasileiro.
No Capítulo 3 são apresentados diferentes sistemas de aquecimento de
água e suas classificações. São descritas mais profundamente os sistemas de
aquecimento solar e a utilização de aparelhos eletrônicos individuais que são foco
de estudo deste trabalho.
No Capítulo 4 é exposta a metodologia utilizada para a descrever este
trabalho e um quadro de resumo que contém os objetivos gerais, específicos,
ferramentas utilizadas e resultados esperados.
15
No Capítulo 5 é apresentado o estudo do projeto do empreendimento em
estudo de caso desenvolvido, com uma análise de viabilidade técnica sobre o
sistema de aquecimento solar implantando no edifício em estudo.
No Capítulo 6 é desenvolvido uma análise de viabilidade econômica à
respeito do estudo de caso da implantação do sistema de aquecimento proposto em
comparação com o sistema ainda mais utilizado nas residências brasileiras nos dias
atuais.
No sétimo e ultimo capítulo, são apresentadas as conclusões a respeito
dos resultados obtidos no estudo em relação aos seus objetivos e uma breve
recomendação para futuros trabalhos em relação ao tema.
16
2. SUSTENTABILIDADE EM GESTÃO DE ENERGIA
O estudo do aquecimento solar de água envolve diretamente três
importantes temas: a sustentabilidade, a eficiência energética e o conforto
térmico, que são elementares para compreensão do motivo pelo qual utiliza-se do
aquecimento de água nos dias atuais e sobre como faze-lo com maior eficiência
energética e os devidos cuidados ao ambiente.
2.1. O Conceito “Sustentável”
A utilização racional dos recursos naturais pelo homem é uma das
questões mais importantes discutidas na atualidade. O Portal da Sustentabilidade
(2010), define sustentabilidade como sendo um conceito sistêmico, relacionado com
a continuidade dos aspectos econômicos, sociais, culturais e ambientais da
sociedade humana. Segundo Nunes (2008), sustentabilidade é a capacidade que
um indivíduo, grupo de indivíduos ou empresas, têm de manterem-se inseridos num
determinado ambiente sem impactar violentamente esse meio esgotando os seus
recursos. Logo, pode-se entender como a capacidade de usar os recursos naturais
e, de certa forma, retribuir ao meio-ambiente através de práticas ou técnicas para
este fim seja por um processo compensatório ou redutor de impactos. Propõe-se a
ser um conjunto de hábitos e medidas que configuram as atividades humanas, de
forma que os indivíduos e as suas economias presentes na sociedade possam
preencher as suas necessidades, e ao mesmo tempo preservar a biodiversidade e
os ecossistemas naturais, planejando e agindo de maneira que atinja certa pró-
eficiência na manutenção indefinida desses ideais (PORTAL DA
SUSTENTABILIDADE, 2010).
De acordo com Rattner (1999), dentro dos resultados mais perceptíveis
das conferências internacionais na ultima década, está a incorporação da
sustentabilidade nos debates sobre desenvolvimento. É notório que governos,
instituições acadêmicas e empresas privadas em todos os ramos, introduziram
considerações e propostas que refletem a preocupação com o meio-ambiente em
seus projetos e projeções futuras, além da maior preocupação e consideração com a
sociedade e questões sociais em seus processos de tomada de decisão.
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Ainda segundo Rattner (1999), muitas ONGs, adotando um
posicionamento crítico em relação à definição oficial de desenvolvimento dos
governos e agências internacionais, entendem sustentabilidade como o princípio
estruturador de um processo de desenvolvimento centrado nas pessoas e que
poderia se tornar o fator mobilizador e motivador nos esforços da sociedade para
transformar as instituições sociais, os padrões de comportamento e os valores
dominantes. Os diversos impactos e mudanças climáticas que vivenciamos na
atualidade são sinais evidentes de que o planeta e seus recursos naturais não
suportam a descontrolada interferência humana geralmente sempre em busca de
enriquecimento e poder. A sociedade precisa se conscientizar quanto aos impactos
ambientais e sociais das suas ações para que com a adoção novos hábitos e
medidas sustentáveis, as pessoas possam viver em harmonia com o planeta, seus
recursos naturais e com as demais pessoas que o habitam.
Em países desenvolvidos é comum o encontro de um conselho de
cientistas, pesquisadores, pessoas especializadas ou engajadas nas questões
ambientais e sociais, que constantemente reúnem-se para discutir novas ideias e
tendências sempre em busca de novas medidas que possam solucionar, ou ao
menos, mitigar os impactos que as ações da sociedade provocam no dia-a-dia.
Segundo Nunes (2008), políticas que visem à conservação do meio ambiente e a
sustentabilidade de projetos econômicos de qualquer natureza, deve sempre ser a
ideia principal e a meta a ser alcançada para qualquer governante. Ainda segundo
este autor, em paralelo às ações governamentais, todos os cidadãos devem ser
constantemente instruídos e chamados à razão para os perigos ocultos nas
intervenções mais inocentes que realizam no meio ambiente e a sua volta, e para a
adoção de práticas que garantam a sustentabilidade de todos os seus atos e ações.
Destinar corretamente os resíduos domésticos; a proteção dos mananciais que se
encontrem em áreas urbanas e a prática de medidas simples que estabeleçam a
cultura da sustentabilidade em cada família em cotidiano exemplificam alguns
dessas ações.
Ainda de acordo com Nunes (2008), o mais importante é educar e fazer
com que o cidadão comum entenda que tudo o que ele faz gera um impacto no meio
ambiente que o cerca. E que só por meio de práticas que visem sustentabilidade das
suas ações, poderá ser proporcionado uma vida melhor e mais satisfatória, para este
cidadão, e para as gerações futuras. Uma grande parte da população continua
18
acreditando que sustentabilidade relaciona-se apenas à questões ambientais. Muitas
empresas também insistem em atrelar o lançamento de produtos apenas ao meio
ambiente e ecologia, porém, os benefícios também devem ser econômicos e sociais.
Primeiramente precisa haver demanda para os produtos sustentáveis, em segundo
lugar, existe a necessidade de o produto ser competitivo em termos de preço e não
menos importante, o terceiro pré-requisito é o de que o produto precisa apresentar
os atributos essenciais da sustentabilidade. O atual modelo de crescimento
econômico gerou enormes desequilíbrios e se, por um lado, nunca houve tanta
riqueza e fartura no mundo, por outro lado, a miséria, a degradação ambiental e a
poluição aumentam dia-a-dia. Diante desta constatação, surge a ideia do
Desenvolvimento Sustentável (DS), buscando conciliar o desenvolvimento
econômico com a preservação ambiental e, ainda, ao fim da pobreza no mundo. A
expressão desenvolvimento sustentável, segundo a declaração da Conferência da
ONU sobre o Meio Ambiente e desenvolvimento do Rio de Janeiro, em 1992, diz que
― o direito ao desenvolvimento deve ser exercido de tal forma que responda
equitativamente às necessidades de desenvolvimento e ambientais das gerações
presentes e futuras.
2.2. Eficiência energética e utilização sustentável da energia:
A falta de energia pode ocasionar grandes problemas para a sociedade
de hoje. Para resolução destes problemas não basta produzir sempre mais e mais
energia, aumentando a produção de modo exacerbado e arcando com os mais altos
custos econômicos e ambientais, entretanto é preciso avaliar o que fazemos com
ela, tendo em vista uma utilização mais inteligente e eficiente da energia disponível.
Lamberts et al (1997), conceituam a eficiência energética como sendo a
obtenção de um serviço com baixo dispêndio de energia, e ainda segundo eles, um
edifício é mais eficiente energeticamente que outro quando proporciona as mesmas
condições ambientais com menor consumo de energia.
De acordo com a Associação Brasileira das Empresas de Serviços de
Conservação de Energia (ABESCO), a Eficiência Energética trata-se de uma
atividade técnico-econômica que objetiva proporcionar o melhor consumo de energia
e água, com redução de custos operacionais, minimizar contingenciamentos no
19
suprimento desses insumos, bem como 22 introduzir elementos e instrumentos
necessários para o gerenciamento energético e hídrico da empresa ou
empreendimento.
Em outras palavras a Eficiência Energética pode ser definida como a
otimização que podemos fazer no consumo de energia, ou seja, a relação entre a
quantidade de energia consumida por determinado equipamento ou aparelho e a
quantidade de energia efetivamente utilizada por ele, para realizar a tarefa a que se
propõe.
Segundo a Secretaria de Estado de Planejamento e Gestão (SEPLAG) do
Rio de Janeiro (2007), a energia é empregada intensamente na sociedade em geral
e em tudo o que se faz. Surge então a necessidade de utilizá-la de modo inteligente
e eficaz e entre as suas diferentes formas interessam em particular, aquelas que são
processadas pela sociedade e colocadas à disposição dos consumidores onde e
quando necessárias.
De acordo com Margit e Martins (2009), a eficiência energética pode ser
entendida segundo duas diferentes abordagens:
Restrita – Aquela aplicada apenas aos equipamentos de uso ou
transformação de energia. Trata-se de melhorar as tecnologias que convertem as
fontes energéticas em serviços energéticos. Ampla – Esta abordagem abrange as
políticas energéticas, não apenas em relação aos equipamentos que convertem
energia, mas também ao padrão de consumo de energia pela sociedade.
No Brasil, no que concerne à energia elétrica, esse estímulo à eficiência
tem sido aplicado de maneira sistemática desde 1985, quando o Ministério de Minas
e Energia (MME) criou o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
(PROCEL). Além disso, a legislação também determina que as distribuidoras de
eletricidade destinem pelo menos 0,5% de sua receita operacional líquida a
programas e ações que se caracterizem pela eficiência energética. Para serem
implementados, estes programas devem ser aprovados pela Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL). Em abril de 2008, a ANEEL havia aprovado 279 deles,
apresentados por 61 distribuidoras. Com isso, a redução total do consumo obtida
com esses programas desde 1998 é de mais de 5.000 GWh por ano, segundo
informações divulgadas em setembro de 2008 pela ANEEL.
20
2.3. Conforto Térmico:
O homem é o que chamamos um animal homeotérmico, ou seja, sua
energia vital é conseguida através de fenômenos térmicos em um processo
chamado metabolismo. Sua energia útil, entretanto é apenas 20% da metabolizada.
Os restantes 80% são transformados em calor e devem ser eliminados para que o
equilíbrio seja mantido (KRAUSE, 2002).
De acordo com Frota e Schiffer (2001), o organismo do homem é mantido
a uma temperatura interna sensivelmente constante. Essa temperatura é da ordem
de 37°C, com limites muito estreitos — entre 36,1 e 37,2°C —, sendo 32°C o limite
inferior e 42°C o limite superior para sobrevivência, em estado de enfermidade.
A produção de calor é contínua e aumenta com o esforço físico
executado, portanto deverá haver uma permanente e imediata eliminação do
excesso de calor produzido para que a temperatura do corpo possa ser mantida
constante.
Xavier e Lamberts (2002), consideraram o corpo humano, como uma
máquina térmica, que dispõe de um mecanismo termorregulador, o qual controla as
variações térmicas do organismo, fazendo com que sua temperatura permaneça
praticamente constante.
Em ambientes cujas condições termo-higrométricas são as mais variáveis,
a manutenção da temperatura se faz por intermédio de seu aparelho
termorregulador, que comanda a redução dos ganhos ou o aumento das perdas de
calor através de alguns mecanismos de controle (FROTA E SCHIFFER, 2001).
Ainda segundo os mesmos autores, a termo-regulação, apesar de ser o
meio natural de controle de perdas de calor pelo organismo, representa um esforço
extra e, por conseguinte, uma queda de potencialidade de trabalho.
Portanto, o organismo humano experimenta sensação de conforto térmico
quando perde para o ambiente, sem recorrer a nenhum mecanismo de termo-
regulação, o calor produzido pelo metabolismo compatível com sua atividade.
De acordo com Ruas (1999), o conforto térmico depende de fatores que
interferem no trabalho do sistema termorregulador como: taxa de metabolismo,
isolamento térmico da vestimenta, temperatura radiante média, umidade relativa,
temperatura e velocidade relativa do ar. O efeito combinado de todos esses fatores é
que determina a sensação de conforto ou desconforto térmico embora, por motivo de
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classificação, os dois primeiros fatores sejam chamados de variáveis pessoais e os
quatro últimos de variáveis ambientais
De acordo com Frota e Schiffer (2001), a pele é o principal órgão
termorregulador do organismo humano e é através dela que se realizam as trocas de
calor. A temperatura da pele é regulada pelo fluxo sanguíneo que a percorre. Ao
sentir desconforto térmico, o primeiro mecanismo fisiológico a ser ativado é a
regulagem vasomotora do fluxo sanguíneo da camada periférica do corpo, a camada
subcutânea, através da vasodilatação ou vasoconstrição, reduzindo ou aumentando
a resistência térmica dessa camada subcutânea.
De acordo com Verdussen (1978), a temperatura é um ponto que deve
merecer o maior cuidado, quando se busca criar adequadas condições ambientais
de trabalho. Há temperaturas que nos dão uma sensação de conforto, enquanto
outras tornam-se desagradáveis e até prejudiciais à saúde, logo o homem tenta
estar sempre em um ambiente que lhe proporcione conforto térmico.
Conforto térmico é um estado que reflete a satisfação com o ambiente
térmico que envolve a pessoa. Se o balanço de todas as trocas de calor a que está
submetido o corpo humano for nulo e a temperatura da pele e suor estiverem dentro
de certos limites, pode-se dizer que o homem sente conforto térmico segundo
Lamberts et al. (1997).
Ruas (1999), define o conforto térmico num determinado ambiente como
sendo a sensação de bem estar experimentada por uma pessoa, como resultado de
uma combinação satisfatória, nesse ambiente, da temperatura radiante média,
umidade relativa, temperatura e velocidade relativa do ar com a atividade
desenvolvida e a vestimenta utilizada.
De acordo com Xavier e Lamberts (2002), os estudos de conforto térmico
visam analisar e estabelecer as condições necessárias para a avaliação e
concepção de um ambiente térmico adequado às atividades e ocupação humanas,
bem como estabelecer métodos e princípios para uma detalhada análise térmica de
um ambiente.
A importância do estudo de conforto térmico, está baseada principalmente
em 3 fatores:
A satisfação do homem ou seu bem estar em se sentir termicamente
confortável;
22
A performance humana, muito embora os resultados de inúmeras
investigações não sejam conclusivas a esse respeito. A despeito dessa
inconclusividade, os estudos mostram uma clara tendência de que o desconforto
causado por calor ou frio, reduz a performance humana. As atividades intelectuais,
manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando
realizadas em conforto térmico;
A conservação de energia, pois devido à crescente mecanização e
industrialização da sociedade, as pessoas passam grande parte de suas vidas em
ambientes com climas artificiais, ambientes condicionados, e assim sendo, uma vez
conhecendo-se as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos
ocupantes do ambiente, evitam-se desperdícios com calefação e refrigeração,
muitas vezes desnecessários.
As condições de conforto térmico são função, portanto, de uma série de
variáveis. Para avaliar tais condições, o indivíduo deve estar apropriadamente
vestido e sem problemas de saúde ou de aclimatação. É certo que as condições
ambientais capazes de proporcionar sensação de conforto térmico em habitantes de
clima quente e úmido não são as mesmas que proporcionam sensação de conforto
em habitantes de clima quente e seco e, muito menos, em habitantes de regiões de
clima temperado ou frio (FROTA e SCHIFFER, 2001). O clima urbano é produzido
pela ação do homem sobre a natureza e se relaciona à produção de condições
diferenciadas de conforto térmico, à poluição do ar, às chuvas intensas, às
inundações e aos desmoronamentos das vertentes dos morros – eventos de grande
custo social (LOMBARDO, 1985). Condições climáticas urbanas inadequadas
significam perda da qualidade de vida para uma parte da população, enquanto para
outra, conduzem ao aporte de energia para o condicionamento térmico das
edificações. Em consequência, aumentam as construções de usinas hidrelétricas,
termoelétricas ou atômicas, de grande impacto sobre o meio ambiente (LAMBERTS
et al., 1997).
Nas regiões muito frias há necessidade de equipamentos para aquecer o
ambiente, enquanto nas regiões quentes, há a necessidade de refrigeração do
ambiente, para fazer com que haja o conforto térmico. O homem no mundo todo,
também utiliza o conforto na hora do banho, pois em regiões frias não há condições
de se tomar banho com água fria, e mesmo nas regiões quentes, onde não haveria a
23
necessidade do aquecimento de água, as pessoas que possuem condições
financeiras utilizam o banho quente como uma forma de conforto.
2.4. Energia solar:
Reis (2009) afirma que o sol é responsável pelo fornecimento da energia
consumida pela humanidade desde seus primórdios. A energia armazenada pelas
plantas através da fotossíntese, as modernas hidrelétricas, cujas represas, são
abastecidas graças ao ciclo das águas, os geradores eólicos alimentados pelos
ventos que são produzidos pelas diferenças de temperatura da atmosfera, os
combustíveis fósseis, gerados a partir de resíduos orgânicos de tempos primitivos,
são exemplos incontestáveis de nossa dependência energética do sol.
A Energia solar é proveniente da radiação do Sol e pode ser captada por
painéis solares fotovoltaicos, compostos de associação de células fotovoltaicas, e/ou
painéis solar-térmicos utilizados para várias aplicações, como por exemplo, na
utilização da energia solar para aquecimento de água em residências. Ela é
considerada uma fonte de energia limpa e renovável, pois não polui o meio ambiente
e é ilimitada (ANEEL, 2008).
Conforme Sprenger (2007), a fonte solar está disponível de forma
abundante desde o surgimento da vida, mas a energia solar nunca foi aproveitada
de forma eficiente ou em larga escala se comparado às outras formas de energia. O
Sol, além de fonte de vida, pode ser a resposta para a questão do abastecimento
energético no futuro, uma vez que se aprenda a aproveitar de maneira racional a luz
que esta estrela constantemente derrama sobre o planeta Terra (PALZ, 1981). Desta
forma, a energia solar tem sido objeto de importantes estudos para torná-la cada vez
mais eficiente.
A utilização de energia solar contribui de diversas maneiras para o
desenvolvimento da sociedade. Conforme Sprenger (2007), em termos de efeitos de
localidade, o uso de energia solar é benéfico por apresentar economias significativas
de energia elétrica, já que o aquecimento de água por energia solar substitui a
eletricidade.
Conforme Gamboa (2001), inúmeras são as vantagens da energia solar: é
limpa, pois, seu funcionamento não emite poluente, além de ter vida útil longa e a
sua manutenção quase não exista. Mas o custo para implantar um sistema desses,
24
de forma a obter energia elétrica, através da energia solar, é a maior desvantagem.
Dentre as características deste tipo de energia, podemos citar outras vantagens, tais
como: é difusa, é periódica, é silenciosa, não consome combustível, não produz
poluição nem contaminação ambiental, permite aumentar a potência instalada por
meio da incorporação de módulos adicionais, resistente às condições climáticas
extremas (granizo, vento, temperatura e humidade), eternamente renováveis à
escala humana, estando disponível em quantidades elevadas.
Aplicações da Energia Solar
A radiação solar pode ser aproveitada em sua forma energética de
diferente maneiras. Pode ser desfrutada diretamente como fonte de energia térmica
para aquecimento de diversos materiais, e além disto, pode ser utilizada para
geração de potência elétrica ou mecânica. Por meio de determinados efeitos sobres
certos materiais, também é possível converter a radiação solar diretamente em
energia elétrica – destacam-se os efeitos termoelétrico e o fotovoltaico para este tipo
de conversão.
A Figura 1, a seguir, apresenta as formas de aplicação da energia solar,
diferenciando na cor cinza o aquecimento de água que é o foco deste trabalho.
Figura 1 - Fluxograma das Aplicações da Energia Solar
Fonte: (Pereira et al 2003)
25
A energia elétrica obtida a partir de células fotovoltaicas, pode ser
utilizada de maneira direta para retirar água de um poço através de uma bomba
elétrica, por exemplo, ou ser armazenada em acumuladores para ser utilizada
durante a noite. A energia excedente pode ser inserida na rede geral através de
acordo com a concessionaria que fornece energia na região.
A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre por efeito
da radiação eletromagnética sobre determinados materiais semicondutores. Entre
esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico como dito anteriormente.
O primeiro, é caracterizado pelo surgimento de uma diferença de potencial,
provocada pela junção de dois metais, em condições específicas. No segundo, os
fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de
células solares. Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os
mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de
energia elétrica (ANEEL, 2002).
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala
terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de
dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os
desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é
responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em
outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia
do Sol (COMETTA, 2004).
É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das
águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade
(hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga
escala, causando os ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de
resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao
seu desenvolvimento.
De acordo com o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio
de Salvo Brito (CRESESB), o Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre,
1,5 x 1018 kWh de energia. Trata-se de um valor considerável, correspondendo a
10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato vem indicar
que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar
constitui-se em uma inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de
26
utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia
(térmica, elétrica, etc.).
A utilização da energia solar térmica para o aquecimento de água tem
sido significativa para o contexto atual da sociedade devido a sua importância
ambiental, social e econômica. Além disso, a abundância do recurso solar em todas
as regiões do planeta é um fator importante para as pessoas passarem a utilizar
sistemas de aquecimento solar para água (REDE BRASIL, 2008).
A Energia Solar para Aquecimento de Água no Mercado Brasileiro:
Conforme dados da ANEEL (2010), os processos de aproveitamento da
energia solar, mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração
fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o primeiro é mais encontrado nas regiões
Sul e Sudeste, devido às características climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e
Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica.
O Brasil é o décimo maior consumidor de energia do mundo. Estudos
indicam que o Brasil, é um dos países com maior potência de energia solar do
mundo, mas ainda possui muita pouca potência instalada (cerca de 15MW), se
comparada com sua capacidade. Na região Nordeste, esta capacidade representa
os maiores valores de irradiação solar global e maiores médias, com valores
máximos na região central da Bahia e noroeste de Minas Gerais. Mas outro fator que
influencia muito também e torna-se um grande diferencial, é que esta região também
possui a menor variabilidade anual, quando comparada com as outras regiões
geográficas.
27
Figura 2 – Regiões do Brasil e Radiação Média Diária
Fonte: (Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2006)
Atualmente, existem alguns países os quais a potência instalada já
ultrapassa muito a do Brasil, ainda que possua uma radiação solar muito inferior. Um
bom exemplo disso é a Alemanha, que possui já, em média, 35.000MW de potência
instalada, possuindo uma radiação solar diária de 2,5Wh/m² enquanto o Brasil
possui, em média, 5,9Wh/m², na região do Nordeste.
Existe um plano chamado Plano Decenal de Expansão (PDE 2024) de
energia o qual estima uma capacidade instalada de geração energia solar em torno
de 8.300MW. Espera-se que em 2018, o Brasil já se encontre entre os 20 países
com as maiores gerações de energia solar do mundo.
Diferentemente de alguns outros países como Alemanha, China, Japão,
Itália, Israel e EUA, por exemplo, no Brasil, o uso de energia solar para o
aquecimento de água só veio a evoluir nos últimos anos. Alguns estados inclusive
começaram a aderir leis que obrigam que novas edificações tenham energia solar
para tais fins, como por exemplo, a capital, Porto Alegre que em 2006 aderiu a lei
4117/06. Outras capitais já estão com processos similares em andamento.
28
3. SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
Entre os diferentes sistemas de aquecimento de água, este estudo
compara aqueles que utilizam gás ou eletricidade com energia termo-solar, por
transferência direta de calor para água. A transferência direta não utiliza fluido
intermediário. Os sistemas de aquecimento de água são constituídos de
aquecedores e mecanismos que devem estar compatíveis com a infraestrutura da
edificação e demandas necessárias ao usuário do sistema. Este capitulo apresenta
os sistemas de aquecimento e as características técnicas sobre a fonte de energia
de cada sistema.
Eletricidade como fonte de calor:
A transferência de calor ocorre através do contato de um resistor,
aquecido eletricamente, imerso em água. Este resistor, quando conectado à energia
da rede de distribuição elétrica, aquece-se com a circulação de corrente, fenômeno
conhecido como efeito Joule.
Gás como fonte de calor:
A geração de calor a gás ocorre com a combustão do gás com o ar
atmosférico, a partir de uma centelha, no queimador. O calor gerado atinge um
trocador que transfere a maior parte dessa energia térmica para a água corrente no
sistema.
O Sol como fonte de calor:
O sol emite energia sob forma de ondas eletromagnéticas conhecidas
como radiação solar. O coletor solar tem como propriedade absorver e transferir o
calor destas, em geral para água que circula em seu interior.
A irradiação solar diária incidente no plano do coletor determina a
quantidade de calor por unidade de tempo fornecida ao coletor solar. Essa irradiação
varia em função dos parâmetros meteorológicos e geográficos do lugar onde o
29
coletor se encontra localizado, tais como latitude local, numero de horas diárias de
insolação, reflexividade do solo e inclinação do coletor solar.
A energia absorvida pelo coletor é proporcional à irradiação solar diária
incidente no plano coletor, em função de sua área e da eficiência média de
transferência da energia térmica captada para a água.
Configurações dos sistemas de aquecimento de água:
Para o aquecimento existem alternativas de sistemas que variam em
função das fontes de calor e das configurações dos sistemas de aquecimento. Os
sistemas podem atender um ou mais pontos de uso em edificações unifamiliares ou
multifamiliares.
Os aquecedores podem ser instantâneos ou de acumulação. O
aquecedor instantâneo aquece a água no momento do uso.
Os aquecedores de acumulação utilizam uma menor potência aquecendo
a água de forma mais lenta. Consequentemente a água precisa ser armazenada e
mantida aquecida em um reservatório, de maneira que permita o seu uso em uma
demanda pré-dimensionada em volume e temperatura.
Portanto, em função do serviço de água quente e das necessidades do
público-alvo, pode-se ter várias alternativas para o aquecimento de água. Os
sistemas se diferenciam essencialmente:
na forma de energia;
no circuito de distribuição de água quente;
nos componentes de vazão de água e potências dos aquecedores;
no armazenamento de água quente.
No presente trabalho, é considerado como sistema de aquecimento, o
conjunto de componentes do aquecedor da entrada da fonte de calor aos pontos de
utilização da água aquecida.
30
As configurações das alternativas de sistemas de aquecimento estão
denominadas de acordo com o tipo de aquecedor e distribuição de água quente
(Notas de aula: Sistemas prediais de água quente (FAEC):
I. Sistema instantâneo individual (II).
É composto por aquecedor instantâneo individual, cada aquecedor atende
apenas um ponto de utilização. O chuveiro elétricos é exemplo mais conhecido
dessa classificação. Este sistema é privativo.
II. Sistema Instantâneo central (IC).
O aquecedor atende a toda uma residência de forma centralizada em
relação aos seus pontos de utilização. Este sistema também é privativo e é
denominado de instantâneo central ou de passagem.
III. Sistema acumulação privativo (AP).
O sistema de acumulação possui, além do aquecedor, um ou mais
reservatórios térmicos para armazenamento de água aquecida e atende a toda uma
residência.
IV. Sistema acumulação coletivo (AC).
O sistema de acumulação coletivo possui reservatórios térmicos e tem
capacidade para atender várias residências em um sistema coletivo.
3.1. O Sistema de Aquecimento Solar: Componentes e Características Técnicas
O sistema de aquecimento de água por energia solar é composto por
coletores solares, reservatório térmico, sistema hidráulico de circulação de água e,
eventualmente, um sistema de aquecimento auxiliar. As placas coletoras são
responsáveis pela absorção da radiação solar. O calor do sol, captado pelos
coletores, é transferido para a água que circula no interior de suas tubulações de
cobre e é armazenada nos boilers, que possui isolamento térmico apropriado para
manter sua temperatura por mais tempo.
31
Figura 3 - Esquema Geral para Sistemas de Aquecimento Solar
Fonte: (Soletrol Aquecedores Solares de Água, 2016)
O sistema possui princípio de funcionamento baseado no efeito estufa
para o aquecimento da água que circula nas placas coletoras.
Quando a radiação solar incide na superfície de vidro, a mesma penetra
no interior do painel e lá é mantida por conta deste efeito. O fluido primeiramente sai
do reservatório de água fria, passa pela parte inferior do reservatório térmico e se
direciona as placas coletoras, onde receberá o calor nele já retido no momento em
32
que circula pelas serpentinas no interior das placas. A água passa do coletor para o
reservatório térmico novamente, mas desta vez pela entrada superior, próximo a
saída para o uso final. Devida a diferença de densidade da água em diferentes
temperaturas, é garantido que a água quente, menos densa, deverá sair para o
consumo final primeiramente por conta da localização na parte superior da saída. O
controle da circulação do sistema é assegurado pela central de controle a qual é
gerida em função das temperaturas para gerenciar as bombas de circulação. Com a
água já aquecida, a mesma é distribuída para uso através do sistema hidráulico do
local. Apenas em casos em que a radiação recebida não é suficiente para o
aquecimento do sistema, são usados os sistemas de apoio energéticos ou
suplementares.
Coletor Solar – Um ou mais painéis, que transformam a radiação solar
incidente em energia térmica.
Reservatório Térmico (Boiler) – Depósito que acumula e mantém a água
quente até que esta seja necessária para consumo.
Circuito Hidráulico e Sistema de Circulação de Água – Tubulações,
bombas, válvulas e registros. O circuito faz com que o líquido térmico circule pelos
tubos que ligam o painel solar ao depósito acumulador e às tubulações mais
distantes do sistema para que se mantenha sempre aquecida.
Sistema auxiliar de aquecimento – Sistemas complementares de
aquecimento que apenas são acionados quando as radiações recebidas pelo painel
não são suficientes para o nível de aquecimento desejado.
3.1.1. Componentes do Sistema:
Coletor Solar
O coletor solar é um dispositivo onde pode-se verificar a transmissão do
calor através dos três processos: condução, convecção e radiação. A energia solar
que incide por radiação é absorvida pelas placas coletoras. Estas transmitem a
parcela absorvida desta energia para a água (que circula no interior de suas
tubulações de cobre), sendo que uma pequena parte é refletida para o ar que
envolve a chapa. A eficiência do coletor é dada pela proporção dessas três parcelas
33
de energia (absorvida, transmitida e refletida) em relação à quantidade total de
energia incidente. Dessa forma, o coletor será mais eficiente quanto maior for a
quantidade de energia transmitida para a água.
O aquecimento da água para ser aproveitada nas residências e feito com
uma caixa semelhante a uma estufa, coberta com vidro. A radiação solar incide na
parte transparente do coletor. Parte dessa radiação atinge a chapa de alumínio
pintada de preto no interior da caixa. A pintura preta aumenta a absorção da energia
incidente.
No caso do fluido ser a água, associado a um coletor solar temos um
depósito (ou dois) onde a água se encontra armazenada (este depósito não faz
parte do coletor, no entanto, existem fabricantes que incorporam o depósito nos
coletores). Se tivermos dois depósitos, um é para a água quente e outro para a água
fria.
A movimentação da água no depósito pode ser feita por termossifão, ou
seja, a água quente flui (naturalmente) para a parte superior do depósito enquanto a
água fria se concentra na parte inferior (isto acontece até toda a água do depósito se
encontrar à mesma temperatura). Para isto acontecer sem o auxílio de nenhum
motor o depósito tem de se localizar na parte superior do coletor (no mínimo 30 cm
de distância entre o coletor e a base do depósito).
Fixada à placa de alumínio encontra-se a tubulação de água. Pelo
processo de condução, parte do aquecimento da placa é transmitido para a água.
Uma vez aquecida, a água na tubulação fica menos densa e sobe indo para o
reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce da parte inferior do
reservatório. A água quente, pronta para o consumo, é retirada da parte superior do
reservatório, e uma nova quantidade de água é introduzida na parte inferior.
Reservatório Térmico
Também chamado de Boiler, é o componente responsável pelo
armazenamento da energia gerada pelos coletores solares na forma de água
quente. é um recipiente cilíndrico, isolado termicamente, onde a água já aquecida
ficará armazenada, até que seja usada, sem que hajam grandes perdas de
temperatura, com o tempo.
34
Um reservatório térmico ou Boiler é composto basicamente por um tanque
fabricado com material resistente a corrosão, uma camada isolante e uma capa para
a proteção do isolante. Normalmente o equipamento vem dotado de uma ou mais
resistências elétricas ou esperas para interligação com um sistema de aquecimento
auxiliar, para que aqueça a água em ocasiões que ocorram longos períodos sem
insolação (MASTERSOL, 2016).
Para que não haja oxidação do reservatório e que ele tenha um tempo de
vida mais prolongado, o mesmo deve ser instalado dentro das residências ou locais
mais protegidos das ações atmosféricas e térmicas.
De acordo com a SOLARES (2015), os materiais mais utilizados são os
aços Inoxidáveis AISI 304 e AISI 316L, sendo que este último é recomendado para
locais aonde a água é muito corrosiva. Podem ser utilizados também o Cobre e
materiais plásticos como o polipropileno. O aço carbono revestido é utilizado em
grandes reservatórios onde o custo benefício se torna interessante em relação aos
aços galvanizados. Uma água é considerada prejudicial a uma liga metálica quando
ela possui elementos químicos que podem causar a corrosão dos mesmos como a
presença de metais e sais.
O isolamento térmico recobre o tanque interno e é responsável pela
manutenção da temperatura. Os fatores principais que definem um bom isolamento
são o material do isolante, a sua densidade e a espessura do isolante. Como
isolantes mais comuns pode-se destacar as mantas de lã de vidro ou de rocha e o
poliuretano expandido. O poliuretano tem uma característica muito interessante que
é a sua facilidade de moldagem e sua rigidez estrutural após a secagem, entretanto
só podem ser utilizados na faixa de temperatura de 90°C. Para maiores
temperaturas de operação deve-se procurar outro tipo de isolante. Quanto maior a
espessura do isolante melhor será o grau de isolamento do reservatório térmico
(SOLARES, 2015).
A capa externa serve exclusivamente para proteger o isolante térmico. Em
casos eventuais aumentam a rigidez mecânica do reservatório térmico como um
todo. Podem ser feitas em aço galvanizado, inox, alumínio, material plástico, entre
outros.
A capacidade do boiler a ser usado em certa residência, irá variar de
acordo com as necessidades de água aquecida. A quantidade de banheiros,
35
moradores, média de banhos por dia são fatores que interferem no
dimensionamento da capacidade de reservatórios térmicos. A figura 4 apresentada a
seguir, refere-se aos fatores para este dimensionamento em residências.
Figura 4 – Fatores de uso para dimensionamento de Boilers em residências
Fonte: (Mastersol Aquecedores, 2016)
A figura 5 a seguir, demonstra alguns Boilers disponíveis no mercado
demonstrando suas características de acordo com sua capacidade de volume
reservado de água aquecida e suas dimensões.
Figura 5 –Informações técnicas para reservatórios térmicos
Fonte: (Mastersol Aquecedores, 2016)
36
Anéis de recirculação de água quente
As tubulações por onde passa a água aquecida oriunda dos reservatórios
de água quente e destinadas aos pontos de utilização, ficam normalmente
preenchidas com água em estado estático nos momentos em que não ha solicitação
de uso de água quente. Entretanto, estas tubulações não são capazes de manter a
temperatura da água elevada por muito tempo, e a energia térmica será dissipada
para atmosfera.
Neste caso, no momento inicial de solicitação de água quente do sistema,
a água que esfriou dentro das tubulações será a primeira a ser gasta de maneira
não desejada e portanto, grandes desperdícios de água podem ocorrer toda vez que
o sistema for solicitado.
Portanto, o sistema de recirculação de água quente é utilizado em
instalações com aquecimento central para manter a água aquecida sempre presente
nas tubulações do sistema de abastecimento, de maneira que fique o mais próximas
aos pontos de utilização possível e evite desperdiçar a água que esfriou nas
tubulações.
O uso de um sistema de recirculação evita o desperdício de água,
reduzindo o tempo de espera com o registro aberto até que a água quente chegue
ao ponto de consumo. Quando um usuário abre o registro de uma ducha ou torneira
precisa esperar que a água fria da tubulação saia antes da chegada da água quente,
e essa água fria vai para o ralo sem uso. Quanto maior o comprimento das
tubulações água quente maior será o desperdício.
Basicamente, o sistema de recirculação é composto pela tubulação que
conecta o último ponto de consumo ao sistema de aquecimento, uma eletrobomba e
controle de acionamento da eletrobomba com controle por termostato, que liga a
eletrobomba sempre que a temperatura na tubulação reduz. Além da tubulação,
eletrobomba e controle de acionamento o sistema de recirculação pode contar com
temporizador para evitar que o sistema de recirculação funcione durante todo o dia,
pois isso pode causar custos desnecessários com o aquecimento da água.
O sistema de recirculação pode ser aberto, quando a água que circula na
eletrobomba é a mesma que vai para o consumo, ou fechado, quando a água que
circula na eletrobomba não vai para o consumo e passa por um trocador de calor
aquece a água que vai para consumo de maneira indireta.
37
Sistema Auxiliar de Aquecimento
Para garantir que não ocorrerá a falta de água quente em uma residência,
todo aquecedor solar deve trazer um sistema auxiliar de aquecimento.
Quando o tempo fica muito nublado ou chuvoso por vários dias, ou
quando a casa recebe visitas e o número de banhos fica acima do dimensionamento
inicial, o sistema auxiliar é acionado.
No próprio reservatório de água quente, obtida pela energia solar, podem
ser instaladas resistências elétricas que entram em funcionamento, através do
comando de um termostato convenientemente regulado.
Caso não se deseje instalar o sistema auxiliar elétrico no interior do
reservatório ou sendo necessário um sistema auxiliar de aquecimento de maior porte
para um sistema central com muitas residências, pode se utilizar um aquecedor de
passagem de maior porte a gás ou mesmo por eletricidade para realizar a
complementação do aquecimento da água. Havendo ainda a possibilidade de usar o
chuveiro elétrico, normalmente, sem complicações, neste caso, o mais indicado seria
a utilização de chuveiros inteligentes com controles digitais de temperatura, os quais
utilizam apenas a quantidade de energia necessária para complementar o
aquecimento da água, evitando assim desperdícios.
O sistema auxiliar elétrico deve estar sempre desligado e ser acionado
somente quando houver necessidade, normalmente automatizados por sistemas
inteligentes comandados através da medição da temperatura da água.
Os sistemas auxiliares se tornaram necessários para prevenir que algum
fator externo comprometa o funcionamento do aquecimento solar, mas a verdade é
que, com o nível de insolação do Brasil, principalmente no nordeste, o sistema
auxiliar de aquecimento é acionado poucos dias ao ano.
3.1.2. Características Técnicas do Sistema de Aquecimento Solar
De acordo com Chen (2011), os coletores solares devem ser instalados, e
interligados entre si, conforme orientação do fabricante, devendo ser verificado o
sentido do fluxo da água e a configuração do sistema. Como princípio básico de
interligação dos coletores, resumindo as associações em: paralelo, em série ou
misto, conforme a Figura 6.
38
Figura 6 - Ligação dos coletores
Fonte: Chen, 2011
As ligações em série (Figura 7) permitem que um determinado volume de
água obtenha uma maior temperatura de água em função do maior tempo de
percurso dentro dos coletores.
Figura 7 - Ligação de conjuntos de coletores em série
Fonte: Chen, 2011
No entanto, temperaturas elevadas tendem a reduzir a eficiência de troca
de calor, entre a água e o coletor. Dessa forma, evitam-se muitos coletores ligados
em série mesclando o sistema com fileiras de coletores em paralelo, conforme
apresentado na Figura 8.
39
Figura 8 - Ligação de conjuntos de coletores em paralelo
Fonte: Chen, 2011
O critério para a seleção dos coletores em série ou paralelo são muito
divergentes conforme a referência a ser utilizada
Essa divergência normalmente ocorre vinculada às diferenças das
características específicas dos coletores solares ou dos sistemas de circulação
adotados (características das bombas de circulação). Recomenda-se a consulta aos
fabricantes de coletores solares para identificação da associação mais
eficiente (CHEN, 2011).
Plano de inclinação
O posicionamento do conjunto de coletores solares é essencial para o
desempenho do sistema de aquecimento solar e sua compreensão possibilita a
construção de instalações mais eficientes, onde se aproveita melhor a radiação do
sol.
A inclinação em relação ao plano horizontal e a direção de instalação dos
coletores solares são os dois elementos que influenciam o dimensionamento do
sistema de aquecimento solar. Os coletores solares devem estar expostos ao sol de
tal forma que a incidência da radiação solar atinja o coletor o mais que possível
perpendicularmente. Como há uma variação da inclinação do sol, conforme a época
do ano, os coletores são instalados com uma inclinação que maximiza e uniformiza,
40
mês a mês, a incidência da radiação solar durante o período de um ano (CHEN,
2011).
Como regra básica, identificada em diversas metodologias internacionais,
é recomendado que a instalação apresente uma inclinação equivalente à latitude da
região onde será instalado o sistema solar, somando-se 10°.
Dependendo da fonte onde é pesquisada a radiação solar incidente do
local existe a informação da melhor inclinação para a otimização do aproveitamento.
Além da inclinação, os coletores devem estar direcionados simétricos em
relação à trajetória do sol, posição que permite o maior tempo de incidência do sol
ao longo do dia. O maior aproveitamento ocorre quando os coletores solares são
direcionados para o Norte Geográfico (quando instalados no hemisfério Sul como no
caso do Brasil). A instalação pode ser realizada dentro de uma faixa de tolerância da
direção, conforme apresentado na Figura 16.
Figura 9 - Trajetória do sol e desvio do Norte geográfico (ângulos azimutais de
superfície)
Fonte: Chen, 2011
41
3.2. Sistemas individuais a base de energia elétrica
O chuveiro elétrico é um equipamento que devido ao baixo custo de
aquisição e pelo fato da simplicidade da instalação, ligado diretamente no ponto de
consumo, pode ser considerado como grande facilitador do uso da água quente para
a população brasileira.
Este equipamento tem como principais características possuir um ótimo
desempenho na conversão de energia elétrica em térmica e não necessitar de
tubulações específicas para água quente.
Segundo a NBR 12483/92 da ABNT, “chuveiro elétrico é um aparelho
elétrico de aquecimento instantâneo de água, aberto, instalado em um ponto de
utilização cujo sub-ramal contém registro de pressão para controle de vazão”. A
Figura 2.3 apresenta esquema de um chuveiro elétrico blindado padrão.
Figura 10 – Esquema de chuveiro elétrico blindado
Fonte: Ilha et al (1994)
Segundo De Marchi et al Neto (2010), o chuveiro elétrico é um produto
genuinamente brasileiro, concebido no início do século XX, que visava contornar
deficiências específicas das instalações prediais de nosso país. A gênese do
chuveiro deve-se ao tipo de matriz energética no Brasil: a eletricidade proveniente,
42
principalmente de hidrelétricas e ao custo elevado das demais alternativas de se
obter água aquecida nos domicílios.
O chuveiro é muito eficiente, se for considerado somente o aspecto
energético, pois apresenta alta taxa de conversão de energia elétrica em calor,
segundo (MATAJS, 1997) de 90 a 93%. Como a água aquecida é somente a que
será utilizada, o desperdício torna-se baixo. Porém, apesar de eficientes, do ponto
de vista de conversão de energia elétrica em térmica, seu uso não é, de forma
alguma, eficiente sob o ponto de vista da utilização da eletricidade.
Um chuveiro elétrico, em sua potência mínima, consome entre 2500 e
3200 watts, chegando a consumir 5500 watts em 127 Volts e até 8800 watts em 220
Volts. O fator de equilíbrio está no seu tempo de utilização, alguns minutos frente a
horas de uso de um ar condicionado ou geladeira. Um problema está no tempo
médio de banho diário de um brasileiro, apesar de os fabricantes e órgãos
ambientais recomendarem menos de 10 minutos, normalmente ele se estende até
os 20 ou 30 minutos, contando o fato que é muito comum se tomar mais de um
banho diário em algumas regiões. Logo a alternativa do uso da energia solar como
fonte de aquecimento de água ganha cada vez mais força por questões econômicas
e ambientais. (CUSINATO e SILVA, 2000).
No que diz respeito às questões ambientais, um banho mais rápido faz
com que cada KWh que deixa de ser consumido no chuveiro elétrico leve à redução
de emissão de aproximadamente 0,6 Kg de gás carbônico (CO2), nas novas usinas
termoelétricas acionadas por gás natural, com a subsequente redução da velocidade
da acumulação deste gás efeito estufa na atmosfera terrestre, logo, quanto mais
rápido for o banho menor será o prejuízo para a natureza.
43
4. METODOLOGIA
A presente pesquisa fez uso de técnicas de investigação qualitativas,
valendo-se de informações detalhadas de uma única situação. Esta opção se
justifica pois o método escolhido permite alcançar de forma mais completa os
objetivos do trabalho em mãos, explorando informações detalhadas sobre os
projetos e custos referentes ao estudo de caso e explorando, ao mesmo tempo,
informações objetivas e subjetivas a respeito do objeto de estudo.
Para o desenvolvimento da pesquisa, foram realizados os seguintes
estudos:
Estudo de base de dados secundários sobre o sistema de aquecimento
de água que utiliza a energia solar térmica como fonte de calor, o
consumo convencional de energia elétrica pelos aparelhos envolvidos no
projeto e aparelhos de aquecimento individuais eletrônicos e a respeito
dos critérios de viabilidade técnica e econômica à serem verificados.
Estudo de caso do sistema de aquecimento solar de água implantado no
edifício residencial em estudo, localizado na cidade de Salvador, Bahia.
Envolvendo uma Pesquisa documental à respeito dos projetos e dados
de investimento realizados pela construtora para implementação do
sistema de aquecimento em estudo.
Estudo comparativo entre o sistema implantado de aquecimento solar e
a simulação utilizando aparelhos de aquecimento individuais eletrônicos,
analisando a diferença entre os investimentos nos ciclos de vida dos
sistemas, seus custos iniciais e a diferença entre consumos energia
elétrica ao longos dos meses, e então, verificando por meio de cálculos a
viabilidade econômica para implantação do aquecimento solar.
O quadro a seguir, sintetiza a metodologia utilizada neste trabalho:
44
Quadro 1 – Metodologia do Trabalho
OBJETIVO GERAL: Analisar a viabilidade para instalação de sistema de aquecimento solar em edificações.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
METODOLOGIA
ATIVIDIDADES FERRAMENTAS RESULTADOS ESPERADOS
1 – Adquirir conhecimentos sobre o projeto e funcionamento do sistema de aquecimento solar
Revisão da literatura à respeito dos sistema de aquecimentos de água, com principal destaque no S.A.S.
Revisão da literatura base em artigos, monografias, livros, dissertações de mestrado, etc.
Ampliar o conhecimento sobre o S.A.S. e suas características principais
2 – Avaliar a viabilidade técnica de implantação do S.A.S. em estudo
Aplicar os conhecimentos sobre o S.A.S. para verificar a viabilidade técnica do projeto em estudo
Estudo de caso, conceitos técnicos do S.A.S. para análise da implantação do projeto
Demonstrar a viabilidade do S.A.S. e quais critérios técnicos são envolvidos
3 – Avaliar a viabilidade econômica de implantação do sistema de aquecimento solar
Análise dos dados obtidos para verificar a viabilidade econômica de implantação do S.A.S.
Estudo de caso, pesquisa documental, cálculos de matemática financeira
Demonstrar a viabilidade econômica do S.A.S. e o tempo de retorno de investimento esperado
4 – Gerar conhecimentos para auxiliar a escolha de sistemas de aquecimento de água
Fazer recomendação para seleção de sistemas de aquecimento de água
Estudo de caso e todo conhecimento envolvido no presente trabalho
Recomendar a opção do S.A.S. por seus critérios técnicos, econômicos e sustentáveis.
Fonte: (Autor, 2016)
45
5. ESTUDO DO PROJETO DO EMPREENDIMENTO
O objetivo deste estudo de caso é avaliar o processo de implantação do
sistema de aquecimento solar de cunho coletivo em edifícios residenciais,
apresentando dados e custos reais referentes a este investimento para a cidade de
salvador no ano de 2016. Com tais dados, é possível calcular um tempo de retorno
do investimento adequado para os proprietários que utilizam o sistema e a
viabilidade deste sistema para investimento em novos empreendimentos.
5.1. Apresentação do Empreendimento:
Para realização deste trabalho, foi estudado o empreendimento da Figura
6, a seguir, com obras finalizadas em Janeiro de 2016, em bairro nobre da cidade de
Salvador, Bahia.
O empreendimento em estudo é constituído por 144 unidades residenciais
de dois e três quartos distribuídos em 20 pavimentos, mais 1 pavimento de
playground com infraestrutura de lazer e mais 3 pavimentos de estacionamento.
Figura 11 – Edifício em estudo (Ilustração de lançamento)
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
46
5.2. Apresentação e características técnicas do sistema de aquecimento solar implantado no edifício em estudo:
A realização deste projeto seguiu as diretrizes para certificação AQUA2
visando um empreendimento sustentável, com aproveitamento da energia solar
aquecimento de água e para produção de energia elétrica, redução de consumo de
água por controle de vazão, melhor divisão dos ambientes para aproveitamento da
luz solar, dentre outras realizações para atender as diretrizes do AQUA.
A concepção do projeto do sistema de aquecimento solar foi realizada
pela Solis no que se refere à distribuição das placas coletoras, reservatórios
térmicos, bombas de calor (sistema auxiliar de aquecimento), e bombas de
recirculação das placas.
Figura 12 – Planta de situação dos coletores (Planta baixa cobertura)
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
2 : AQUA (Alta Qualidade Ambiental) – É uma certificação para gestão de projetos que visam obter índices de eficiência e “qualidade ambiental” para um empreendimento.
47
O sistema de aquecimento solar instalado é composto de 116 placas
coletoras de modelo Trópicos 200V (Figura 13) com dimensões de 200cm x 100cm x
10cm instaladas na cobertura do edifício, totalizando uma área coletora de radiação
solar de 232m².
Figura 13 – Corte AA da planta de situação dos coletores
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
As placas coletoras foram distribuídas em três sistemas hidráulicos
independentes, são eles: o sistema nascente, poente e o de centro.
A circulação da água por esses sistemas de placas coletoras é feita
através de bombas hidráulicas, onde funcionam apenas através de parâmetros de
temperatura. As bombas de recirculação das placas coletoras são acionadas sempre
que a temperatura da água dos boilers estiver menor do que a temperatura medida
na água que esta presente nas placas coletoras. Logo, a água passara a circular
pelo sistema, aproveitando o calor das placas coletoras para aquecer a água. Nos
períodos noturnos ou em que o sol não esteja aquecendo as placas efetivamente, a
temperatura da água presente nos boilers se encontra maior do que a das placas
coletoras e as bombas hidráulicas de recirculação não estarão em funcionamento.
48
Com a variação do sol durante o dia, as placas coletoras de cada sistema
se encontram em temperaturas distintas, por esse motivo, o projeto foi dividido em
três sistemas independentes de circulação. Desta maneira, a água pode circular
apenas nos sistemas que estão recebendo o devido aquecimento solar no período,
evitando com que a ela passe por placas que estejam em temperaturas mais baixas,
esta divisão proporciona uma melhor efetividade no processo de aproveitamento do
calor solar.
Figura 14 – Arranjo dos coletores (sistema nascente)
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
49
Figura 15 – Arranjo dos coletores (sistema centro)
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
Cinco reservatórios térmicos de baixa pressão Solis com capacidade de
de 5.000 litros cada um, constituem os 25.000 litros de água aquecida que ficam
reservadas na laje técnica na cobertura do edifício.
Os reservatórios estão instalados em um sistema continuo em série, de
maneira que apenas os primeiro reservatórios são alimentados pelo reservatório de
água fria, a água passa por cada um dos reservatórios progredindo em temperatura,
e apenas o quinto e ultimo reservatório disponibiliza água para consumo final.
50
Figura 16 – Arranjo dos reservatórios térmicos
Fonte: (Figura disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
Desmembrando o sistema de cada reservatório detalhadamente, temos:
O primeiro e segundo boiler funcionam de maneira idêntica, em
equilíbrio hidráulico e pode ser avaliado como apenas um reservatório de 10.000
litros no sistema: Recebem alimentação de água continua por gravidade do
reservatório de água fria de 250.000 litros localizado logo acima com altura
manométrica de até 4.0m de lâmina de água. Todo o sistema de aquecimento solar
encontra-se totalmente preenchido pela forca da gravidade, toda vez que a água
aquecida sai para consumo no final do sistema, ele automaticamente repõe a água
fria nestes primeiros reservatório térmicos, fazendo com que a mesma quantidade
de liquido percorra em cada um dos reservatórios progressivamente até o quinto
boiler. O retorno de água dos anéis de recirculação vai para estes dois primeiros
51
reservatórios quando as bombas hidráulicas deste sistema se encontram em
funcionamento, retornando águas com um certo grau de aquecimento que estavam
nas prumadas do edifício.
Estes reservatórios iniciais possuem duas saídas, uma saída para o
sistema de circulação nas placas coletoras, que funcionam com bombas hidráulicas
controladas para funcionar quando as placas coletoras estiverem com temperatura
maior do que a água que já está armazenada dentro dos boilers (no caso noturno,
as bombas não estariam em operação por exemplo) e uma saída direcionando a
água para os próximos dois boilers.
O terceiro e quarto boiler também são conectados de maneira idênticas
e podem ser avaliados como um reservatório intermediário de 10.000 litros do
sistema. Estes possuem uma entrada de água proveniente dos primeiros dois boilers
e outra entrada que recebe água aquecida pelo sistema de placas coletoras quando
as bombas estes estão em funcionamento e as placas estão em temperatura maior
que a água que se encontra armazenada nos reservatórios térmicos.
Estes dois reservatórios intermediários possuem uma saída de água que
vai para o quinto e ultimo boiler e que pode ser direcionada também para as bombas
de calor do sistema auxiliar de aquecimento caso as placas coletoras não forneçam
calor suficiente para a temperatura desejada.
O quinto e ultimo boiler recebe água proveniente dos dois reservatórios
anteriores e o retorno de água aquecida pelas bombas de calor do sistema auxiliar.
Deste ultimo reservatório térmico a água aquecida se direciona para os
anéis de consumo que alimentam os apartamentos.
A capacidade do sistema, quantidade de água reservada em boilers e
quantidade de placas foi calculada para abastecer os pontos de utilização do
edifício. Em resumo, o sistema de aquecimento solar em estudo abastece
exatamente 368 pontos de chuveiros e 144 torneiras de pia da cozinha em toda a
edificação com água aquecida.
52
5.3. Levantamento Fotográfico
Foi realizado um levantamento fotográfico para ilustrar melhor o que foi
descrito sobre o sistema de aquecimento solar descrito anteriormente no estudo de
caso. A figura a seguir demonstra os coletores localizados no sistema poente pelo
período da tarde. É possível perceber um pequeno sombreamento na parte superior
da foto, causada pela platibanda que não representa perda significativa de eficiência
do sistema.
Figura 17 – Fotografia dos coletores do sistema poente (vista superior)
Fonte: (Fotografia registrada pelo autor, 2016)
A próxima fotografia representa ainda os coletores do sistema poente numa posição
mais próxima, onde é possível verificar que não existem edifícios próximos na
vizinhança com altura suficiente para projetar sombras na cobertura durante o dia,
prolongando a viabilidade em incidência da radiação solar.
53
Figura 18 – Fotografia dos coletores do sistema poente (vista frontal)
Fonte: (Fotografia registrada pelo autor, 2016)
Figura 19 – Fotografia dos reservatórios térmicos.
Na Figura 19, ao lado, estão
demonstrados os reservatórios térmicos com
25.000 litros de capacidade cada um,
seguindo a disposição e funções descritas no
projeto anteriormente. Os reservatórios ficam
localizados em um nível superior das placas
coletoras e a circulação de água para elas
funciona através de bombas hidráulicas em
sistemas inteligentes para identificar apenas
os momentos propícios de acordo com a
temperatura da água.
Fonte: (Fotografia registrada pelo autor, 2016)
54
A Figura 20, ilustra o sistema de aquecimento elétrico auxiliar instalado
também na cobertura do edifício. O sistema é composto por 4 bombas de calor e
funciona de modo a compensar a falta de disposição das radiações solares para o
aquecimento da água.
Figura 20 – Fotografia do sistema auxiliar de aquecimento.
Fonte: (Fotografia registrada pelo autor, 2016)
É possível identificar ainda na fotografia anterior, o isolamento térmico
feito por mantas térmicas e fitas adesivas prateadas que envolvem a tubulação,
fazendo com que a perda de energia térmica seja reduzida nessas tubulações que
devem manter-se quentes por todo o tempo.
55
5.4. Análise de viabilidade técnica sobre implantação do sistema no empreendimento:
Com a descrição do projeto e do funcionamento do sistema devidamente
realizados e com respaldo nas informações técnicas para execução e implantação
do sistema apresentados na revisão literária, é possível identificar os quesitos de
viabilidade técnica que favorecem a implantação do projeto em questão.
A viabilidade técnica deste sistema de aquecimento solar é respaldada
nas seguintes avaliações:
A alta incidência de raios solares disponível na cidade de
Salvador e região Nordeste que faz com que o sistema atinja
índices elevados de captação de energia solar como fonte de calor
para o aquecimento da água no sistema.
O estudo de vizinhança do empreendimento que demonstra
pela sua altura e construções vizinhas que o local de instalação
das placas coletoras não sofrem sombreamento pelos edifícios
vizinhos e que os lotes vizinhos possuem edificações já habitadas
e sem risco de novo empreendimento que faça sombras a sua
área coletora.
A ampla área disponível na cobertura do edifício para
instalação das placas coletoras fazendo com que o sistema seja
capaz de fornecer a quantidade de calor necessária para o
aquecimento da água nos 25.000 litros dos reservatórios em
constante funcionamento do sistema.
A disposição das placas coletoras na cobertura de modo que
tenham orientação voltada para o Norte com apenas desvios
mínimos trazendo maior aproveitamento da energia solar mesmo
em diferentes períodos do ano.
O plano de inclinação dos coletores dimensionado em 20º em
projeto, adequada para que na latitude do local, trazendo maior
aproveitamento da energia solar pela posição perpendicular dos
raios solares em relação as placas durante os dias.
56
A eficiência do sistema é garantida através dos seguintes recursos de
concepção do projeto:
A presença de anéis de recirculação de água quente nas
tubulações dos edifício, fazendo com que a água não fique em
repouso nas tubulações perdendo calor mas voltem a circular no
sistema para a presença constante de água aquecida nas
tubulações e pontos de utilização de água.
A presença do sistema auxiliar de aquecimento, que traz um
backup de energia elétrica para aquecimento de água do sistema
em momentos em que a energia solar não seja suficiente para
suprir a demanda de água quente do sistema, seja por falta de
radiação solar em dias chuvosos ou em períodos de maior
utilização do sistema em dias festivos por exemplo.
A presença de quadros de comando inteligentes que são
capazes de avaliar, através da diferença de temperatura em
diferentes locais do sistema, o momento adequado de
funcionamento das bombas hidráulicas para circulação de água
nos coletores solares, nas tubulações de água quente do edifício e
para o funcionamento do sistema auxiliar de aquecimento nos
momentos de falta de energia solar suficiente para a demanda de
utilização do sistema.
A presença de mantas térmicas nas tubulações de cobre do
sistema, fazendo com que sejam reduzidas as perdas de calor
pelo sistema e aumentando assim sua eficiência energética.
A ligação das placas coletoras em paralelo que traz maior
eficiência e velocidade no aquecimento de água para o sistema.
É importante salientar que os critérios de viabilidade técnica e as
concepções de projeto foram avaliados para este sistema especifico, em função do
seu local de implantação e necessidades do sistema. Entretanto, faz presente
conceitos importantes para análise de diferentes projetos com o mesmo propósito ou
características semelhantes.
57
6. VIABILIDADE ECONÔMICA DO INVESTIMENTO SOBRE O SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR
6.1. Custo de Investimento sobre o Sistema de Aquecimento Solar:
6.1.1 Custo Inicial de Implantação do S.A.S.:
Para prosseguimento desse trabalho, foram disponibilizados os dados
sobre os custos e os orçamentos envolvidos no processo de implantação do sistema
de aquecimento solar do edifício em estudo.
Os custos de implantação estão apresentados na tabela resumo à seguir
(Tabela 1). Os dados estão separados em custos de mão de obra, e custos dos
matérias, sendo os materiais e equipamentos de maior porte separados na tabela.
É importante salientar que além dos custos relacionados para implantação
do sistema de aquecimento solar, também estão descritos os custos para
instalações hidráulicas de água quente do edifício, pois como sistema de
aquecimento coletivo, é necessário contabilizar este custo para a comparação futura
com outros sistemas de aquecimento que dispensam essas instalações no edifício.
Tabela 1 – Custos para implantação do sistema no edifício em estudo.
Item Descrição Valor Total % sobre
total
1.0 Custos Mão de Obra R$ 201,730.49 33.8%
1.1 Instalação do S.A.S. R$ 151,012.78 25.3%
1.2 Sistema de água quente R$ 50,717.71 8.5%
2.0 Custos Materiais R$ 395,673.79 66.2%
2.1 Reservatórios térmicos R$ 114,050.00 19.1%
2.2 Placas coletoras R$ 74,646.00 12.5%
2.3 Aquecedores do sistema auxiliar R$ 51,420.00 8.6%
2.4 Quadros de comando R$ 6,000.00 1.0%
2.5 Bombas para recirculação do SAS R$ 4,900.00 0.8%
2.6 Demais materiais para instalação do SAS R$ 82,703.45 13.8%
2.7 Materiais para o sistema de água quente R$ 61,954.34 10.4%
3.0 TOTAL GERAL R$ 597,404.28 100.0%
Fonte: (Tabela disponibilizada pela responsável ao empreendimento)
58
Foi contratada uma empresa instaladora terceirizada para instalação do
sistema de aquecimento solar e as instalações hidráulicas de água quente do
edifício. Desta maneira, foi computado posteriormente, os custos pagos com mão de
obra para empresa contratada referente ao serviços descritos (Item 1.0 da Tabela 1).
Os custos com aquisição de materiais (Item 2.0 da Tabela 1) foram
relacionados pela empresa contratada. Foi demonstrada na tabela acima apenas os
materiais com maior relevância em custo sobre o valor total. Os demais materiais
estão inclusos nos itens 2.6 e 2.7.
Desta maneira, foi verificado um custo total para implantação do sistema
de aquecimento solar e instalação do sistema hidráulico de água quente do edifício
de R$597.404,28. Sendo o custo com aquisição de materiais de R$395.673,79
(66,2% do custo total) e custo com mão de obra de R$201.730,49 (33,8% do custo
total).
Ainda sobre a Tabela 1, podemos constatar separadamente que o custo
de instalação do SAS somado equivale a R$484.732,23 e o sistema hidráulico de
água quente do edifício para suprir as instalações de aquecimento coletivo equivale
a R$112.672,05.
Custo de investimento por apartamento:
O sistema de aquecimento em estudo, disponibiliza água aquecida para
um total de 144 unidades residenciais. Desta maneira, é possível inferir que o
investimento de cada unidade residencial foi de:
R$ 597.404,28
144= R$ 4.148,64 (I)
Logo, foi constatado um investimento total de R$ 4.148,64 por unidade
residencial do edifício em estudo para implantação do sistema de aquecimento solar
e a sua comunicação por sistemas hidráulicos de água quente para os
apartamentos.
59
6.1.2 Custos Operacionais do Sistema de Aquecimento Solar:
Para o pleno funcionamento deste sistema de aquecimento de água
implantado, é necessário o uso da energia elétrica para as bombas hidráulicas (onde
faz-se necessária a movimentação da água por bombeamento em certas partes do
sistema e para a recirculação de água quente no edifício) e para a bomba de calor
(sistema de aquecimento auxiliar implantado para suprir eventuais necessidades
seja por falta de raios solares em dias chuvosos ou por excesso de consumo).
De acordo com as cobranças de energia elétrica da concessionária local
(Coelba) em Junho de 2016 direcionadas ao próprio Edifício em estudo, o custo do
kWh está avaliada em R$0,645 com os devidos impostos presentes.
Desta maneira, sabendo a potência dos equipamentos utilizados e o
tempo de utilização estimado de cada um, foi possível calcular o consumo de
energia elétrica total do sistema com base nas seguintes tabelas:
Tabela 2 – Quantidade e potência dos equipamentos instalados no S.A.S.
Equipamento Quantidade Watts
Bomba de recirculação das placas 3 220
Bomba de recirculação das prumadas 2 220
Sistema auxiliar de aquecimento (Bombas de calor)
4 5550
Bombas para circulação de água no sistema auxiliar
2 220
Fonte: (Autor, 2016)
Tabela 3 – Cálculo do consumo anual de energia elétrica total do S.A.S. do edifício.
Equipamento Horas/Dia Dias/Mês kWh/mês R$/kWh R$/Ano
Bomba de recirculação das placas 8 30 158.4 R$0.645 R$1,226.02
Bomba de recirculação das prumadas
12 30 158.4 R$0.645 R$1,226.02
Sistema auxiliar de aquecimento (Bombas de calor)
2 20 888 R$0.645 R$6,873.12
Bombas para circulação de água no sistema auxiliar
2 20 17.6 R$0.645 R$136.22
Fonte: (Autor, 2016)
60
Tabela 4 – Consumo de energia elétrica total e consumo por apartamento.
R$/Mês R$/Ano
Total R$788.45 R$9,461.38
Total/Apt. R$5.48 R$65.70
Fonte: (Autor, 2016)
Resultando em valores bem baixos de consumo de energia elétrica para
cada apartamento, em um total de apenas R$5,48 por mês ou R$65,70 por ano.
Salientando que neste caso, a radiação solar é a principal fonte de energia para
aquecimento de água do sistema e a energia elétrica compõem apenas atividades
auxiliares para o pleno funcionamento das bombas e equipamentos.
6.1.3 Custos de Manutenção do Sistema de Aquecimento Solar:
Os custos de manutenção avaliados para o sistema de aquecimento solar
foram estabelecidos de acordo com o custo contratado por empresa terceirizada
especializada em manutenção destes equipamentos e sistema, o custo de
R$1.300,00 mensal foi contratado pelo condomínio para a manutenção preventiva e
controle de operação dos equipamentos.
Foi considerado também um custo anual no valor de R$1.200,00 para
pequenos reparos eventuais em todo o sistema, considerando eventual troca de
vidro nas placas solares, reposição de gás para os trocadores de calor, eventual
desgaste de peça ou custos de origem semelhante, onde para um sistema de
grande porte, é comum que haja uma manutenção constante dos equipamentos.
Com base nestes valores, foi considerado um montante de R$16.800,00
por ano para manutenção de todo o sistema.
6.1.4 Custos de Reposição e Vida Útil dos Equipamentos do
Sistema de Aquecimento Solar:
Os equipamentos do sistema de aquecimento solar possuem vida útil
variada devido a sua grande diversidade de maquinas e materiais distintos, mas é
61
possível analisar os equipamentos de maior porte em conjunto com os seus custos
descritos anteriormente para concluir um custo de reposição e previsão de
substituição do sistema.
Segundo Heineman (2007), a vida útil de um sistema de aquecimento
solar pode variar de 15 a 25 anos de acordo com os cuidados de manutenção do e
dos fatores externos de intemperismo incidentes.
Para este trabalho, foram considerados alguns equipamentos
separadamente com os seus custos relativos para descrever a vida útil e custo de
reposição do sistema.
Colocando as informações de vida útil dos aparelhos ao lado dos custos
de instalação proveniente da Tabela 1 apresentada anteriormente, é possível
calcular a previsão de custo para reposição dos equipamentos do sistema.
O seguinte quadro demonstra os equipamentos listados seguindo do seu
relativo custo de reposição e sua vida útil estimada.
Quadro 2 – Custos de reposição para o S.A.S. e vida útil dos equipamentos.
Item Descrição Custo de reposição
Vida Útil
1. Custos Materiais
1.1 Reservatórios térmicos R$114,050.00 20
1.2 Placas coletoras R$74,646.00 10
1.3 Aquecedores do sistema auxiliar R$51,420.00 10
1.4 Quadros de comando R$6,000.00 10
1.5 Bombas para recirculação do SAS R$4,900.00 10
1.6 Demais materiais para instalação do SAS R$82,703.45 10 (50%)
1.7 Materiais para o sistema de água quente R$61,954.34 20
2. Custos Mão de Obra
2.1 Instalação do S.A.S. R$151,012.78 10 (50%)
2.2 Sistema de água quente R$50,717.71 20
Fonte: (Autor, 2016)
Os itens 1.6 e 2.1 do quadro anterior, possuem materiais menores e de
composição distintas, foi prevista para eles, uma reposição parcial de 50% a cada 10
anos de operação do sistema, ou seja um ciclo no valor de R$41.351,73 para o item
1.6 e um valor de R$75.506,39 para o item 2.1 a cada 10 anos de funcionamento.
62
Ainda com base no quadro anterior, é possível prever um custo de
reposição em dois ciclos diferentes, um ciclo de reposição parcial de R$253.824,12 a
cada período de 10 anos e outra reposição de R$226.722,05 prevista em ciclos de
20 anos.
Desta maneira, os custos de reposição podem ser resumidos da seguinte
forma: Na primeira década, um custo no valor de R$253.824,12 para reposição
parcial do sistema e ao final da segunda década um custo total de R$480.546,17
para reposição que completa a vida útil de todo o sistema.
Previsão Total de Investimento para o Sistema de Aquecimento Solar:
A previsão de gastos para o sistema de aquecimento solar em estudo
pode ser resumida no seguinte quadro:
Quadro 3 – Previsão total de Investimento para o S.A.S.
INVESTIMENTO INICIAL
CUSTO DE REPOSIÇÃO E CICLO DE VIDA DOS EQUIPAMENTOS
CUSTO DE OPERALÇÃO
ANUAL
CUSTO DE MANUTENÇÃO
ANUAL
R$597,404.28
R$253.824,12
(A CADA 10 ANOS DE OPERAÇÃO) +
R$226.722,05 (A CADA 20 ANOS)
R$9,461.38 R$16,800.00
Fonte: (Autor, 2016)
6.2. Simulação de Investimento para sistema de aquecimento individual
Como descrito anteriormente, 89% das residências brasileiras que fazem
aquecimento de água, utilizam a energia elétrica como sua principal fonte de calor.
Dentre os demais, os aparelhos eletrônicos individuais de aquecimento representam
a grande maioria dos métodos utilizados para este fim.
A utilização de aparelhos que possuem dispositivos de aquecimento
próprio é muito comum no Brasil devido a sua enorme praticidade e baixo custo de
63
investimento inicial quando comparado com os demais sistemas de aquecimento de
água.
À respeito da sua praticidade, é notório salientar que os chuveiros
elétricos não demandam de espaço como outros aquecedores pois o dispositivo de
aquecimento se encontra no próprio chuveiro, não necessitam de instalações
hidráulicas especificas para água quente, pois o aquecimento da água acontece no
ponto final de utilização, demandando apenas de um sistema elétrico com
capacidade suficiente para suporta-los.
O custo de investimento para adquirir um aparelho de chuveiro elétrico
pode ser considerado muito baixo quando comparado com outros sistemas de
aquecimento, mas é preciso salientar que é necessário um chuveiro elétrico para
cada ponto de utilização do apartamento, estes aparelhos consomem muita energia
elétrica e não apresentam grande durabilidade quando comparado com outros
sistemas de aquecimento de água para banho.
6.2.1 Custo inicial dos aparelhos individuais de aquecimento:
Para prosseguir com este estudo, foi criada a situação hipotética, onde
em vez da instalação do sistema de aquecimento central no edifício, seriam
instalados aparelhos de aquecimento individual nos pontos abastecidos pelo sistema
em operação. O sistema de aquecimento solar em estudo abastece 368 chuveiros e
144 torneiras para pia da cozinha com água quente em toda a edificação como foi
descrito anteriormente.
Para realização deste estudo comparativo, o aquecimento da água nestes
pontos de utilização será feita por meio de aparelhos de chuveiro elétrico e
aquecedor local para pia, onde não são necessárias instalações hidráulicas
especificas para água quente no edifício e mantendo a praticidade e baixo custo de
instalação.
Para esta simulação, foi consultado o Programa Brasileiro de Etiquetagem
do INMETRO para decisão sobre quais aparelhos seriam selecionado para utilização
no edifício apresentado no estudo de caso.
64
Quadro 4 – Quadro de classes de potencia de chuveiros elétricos para diferentes
regiões do Brasil.
Fonte: Programa brasileiro de etiquetagem INMETRO – Edição 02/2016.
É possível verificar no quadro anterior, que a região Nordeste está
classificado com climas médios a quentes e se enquadram na utilização de
chuveiros elétricos das classes de potência D e E com potências discriminadas entre
4.600 e 6.800 Watts.
Foi escolhido para o presente trabalho, equipamentos com bom destaque
no mercado baiano, de fácil acesso e preço de mercado. A utilização de chuveiros
elétricos e aquecedores para torneira de cozinha da marca Lorenzetti com 5.500
watts de potência cada um, pertencem a classe de potencia D, avaliado como
econômico para a região nordeste segundo a tabela acima do INMETRO.
Os equipamentos de chuveiro elétrico e aquecedor individual para torneira
de pia elétrico escolhidos para este estudo podem ser encontrados com fácil acesso
no mercado baiano pelo custo de R$169,00 e R$129,00 respectivamente nas lojas
Wal-Mart3 e a instalação destes, é avaliada pelo custo de R$200,00 por unidade
residencial.
Desta maneira, para suprir as necessidade de aquecimento de água
verificada no edifício em estudo, são necessários 368 equipamentos de chuveiro
elétrico e 144 aquecedores de torneira elétrica, além da necessidade de instalações
elétricas adicionais.
3 Consulta na Walmart.com no dia 20 de Julho de 2016.
65
Com isso, um custo de investimento inicial de R$132.848,00, como
constatado na tabela a seguir:
Tabela 5 – Investimento inicial para instalação do sistema de aquecimento
unicamente com aparelhos eletrônicos.
Origem do Custo Valor
unitário (R$) Quantidade (unidade)
Total (R$)
Instalações elétricas adicionais no projeto
161,67 144 23.280,00
Chuveiro Elétrico 169,00 368 62.192,00 Torneira Elétrica 129,00 144 18.576,00 Custo de Instalação 200,00 144 28.800,00 Total 132.848,00
Fonte: (Autor,2016)
As instalações elétricas adicionais foram consideradas para instalação
dos novos pontos com caixa elétrica e fiação para todos os aparelhos, novos
disjuntores para cada um dos aparelhos e um pequeno valor de mão de obra para
este serviço adicional a ser executado nos apartamentos em período de construção,
resultando em um valor médio por apartamento de R$161,67.
Dividindo o custo inicial total de R$132.848,00 para os 144 apartamentos
presentes no edifício, tem-se o valor de R$922,56 por unidade residencial.
6.2.2 Custo Operacional dos aparelhos individuais de
aquecimento:
Os aparelhos aquecedores identificados utilizam exclusivamente a
eletricidade para seu funcionamento e o seu custo operacional é baseada na conta
de energia elétrica anual.
O consumo de energia elétrica dos aparelho é apresentado e calculado
nas tabelas a seguir:
66
Tabela 6 – Quantidade e potência dos equipamentos selecionados.
Equipamento Quantidade Watts
Chuveiro Elétrico 368 5500
Aquecedor Torneira Elétrica 144 5500
Fonte: (Autor, 2016)
Tabela 7 – Cálculo do consumo anual de energia elétrica total do edifício.
Equipamento Horas/Dia Dias/ Mês
kWh/Mês R$/kWh R$/Ano
Chuveiro Elétrico 0.250 30 15180.00 R$0.645 R$117,493.20
Aquecedor Torneira Elétrica 0.050 30 1188.00 R$0.645 R$9,195.12
Fonte: (Autor, 2016)
Tabela 8 – Consumo de energia elétrica total e consumo por apartamento.
R$/Mês R$/Ano
Total R$10,557.36 R$126,688.32
Total/Apt. R$73.32 R$879.78
Fonte: (Autor, 2016)
O cálculo do consumo de energia elétrica dos equipamentos nas tabelas
anteriores, é realizado com base em suas potências e com o tempo de uso médio de
cada um. Neste caso, foi considerado para cada aparelho a utilização de 15 minutos
dos chuveiros elétricos e 2 minutos da água quente da torneira da cozinha por dia,
trinta dias ao mês. Resultando em um total anual do edifício de R$126,688.32 ou
R$879,78 de consumo de energia elétrica ao ano para cada apartamento ou
R$73,32 de consumo mensal também por apartamento.
6.2.3 Custo de Manutenção dos aparelhos individuais de
aquecimento:
O custo para manutenção destes aparelhos foi avaliado como o custo
para repor as peças de resistência elétrica que apesar da ampla variação de vida útil
de acordo com uso e fatores externos, foi considerado uma reposição por ano.
67
Todos os aparelhos de aquecimento avaliado utilizam da resistência
elétrica e precisam da manutenção desta peça periodicamente para manter o pleno
funcionamento do aquecimento de água.
Cada aparelho em estudo possui apenas uma resistência elétrica que é
prevista a troca anual. Logo, um total de 512 unidades de resistência elétrica
trocadas anualmente.
Neste estudo, foi considerada a troca das resistências elétricas sem custo
de mão de obra pois avaliada como realização da troca pelo próprio proprietário dos
aparelhos no apartamento.
O custo de aquisição da peça de resistência elétrica é avaliada em média
de R$20,00 em casas de construções no mercado de Salvador.
Logo, pode-se calcular um custo de manutenção anual de R$10.240,00
para estes equipamentos de aquecimento individual.
6.2.4 Custos de Reposição e Vida Útil dos Aparelhos Individuais
de Aquecimento:
A consideração da vida útil dos equipamentos é muito importante para o
estudo do ciclo de vida do mesmo e com isso, analisar com mais precisão a
viabilidade econômica do investimento em aquecedores solares quando comparados
com outros sistemas de aquecimento.
Segundo Franceschini (2010), a vida útil dos equipamentos de chuveiro
elétrico é considerada em média de 5 anos pois foi constatado que após este
período de uso dos e apesar da substituição das resistências elétricas, o mesmo não
apresenta boa funcionalidade e constata eficiência muito baixa de conversão de
energia.
A vida útil dos equipamentos de torneira elétrica foi considerada
semelhante aos 5 anos do chuveiro elétrico devido a semelhança e característica
dos aparelhos.
As instalações elétricas necessárias para estes equipamentos, tem sua
vida útil considerada em média de 20 anos, assim como as outras instalações
consideradas no sistema de aquecimento solar, tanto elétricas como hidráulicas.
O seguinte quadro demonstra os equipamentos listados, seu relativo
custo de reposição e sua vida útil estimada.
68
Quadro 5 – Custos de reposição para os equipamentos individuais de aquecimento
e vida útil dos aparelhos.
Descrição do custo Custo de reposição
Vida útil estimada
Instalações elétricas adicionais no projeto R$23,280.00 20
Chuveiro elétrico R$62,192.00 5
Aquecedor de torneira elétrico R$18,576.00 5
Custo de Instalação dos equipamentos R$28,800.00 5
Fonte: (Autor, 2016)
Logo, são previstos dois ciclos de reposição dos equipamentos: um
reinvestimento de R$109.568,00 a cada 5 anos de operação e uma reposição no
valor de R$23.280,00 a cada 20 anos de operação.
Previsão de Investimento para os diferentes sistemas de aquecimento:
A previsão total de gastos para os diferentes sistemas de aquecimento em
estudo podem ser resumidas no seguinte quadro:
Tabela 9 – Comparação de Investimento para os diferentes sistemas de
aquecimento.
SISTEMA DE AQUECIMENTO
INVESTIMENTO INICIAL
CUSTO DE REPOSIÇÃO E CICLO DE VIDA DOS
EQUIPAMENTOS
CUSTO DE OPERALÇÃO
ANUAL
CUSTO DE MANUTENÇÃO
ANUAL
SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR (S.A.S.)
R$ 597.404,28
R$253.824,12 (A CADA 10 ANOS)
+ R$226.722,05
(A CADA 20 ANOS)
R$ 9.461,38 R$ 16.800,00
APARELHOS INDIVIDUAIS DE AQUECIMENTO
R$ 132.848,00
R$109.568,00 (A CADA 5 ANOS)
+ R$23.280,00 (A CADA
20 ANOS)
R$ 126.688,32 R$ 10.240,00
Fonte: (Autor, 2016)
69
Com base na tabela anterior onde estão relacionados todos os
investimentos inerentes aos sistemas de aquecimento, é possível apresentar um fluxo
de caixa anual e analisar economicamente a viabilidade deste investimento.
6.3. Apresentação do fluxo de caixa diferencial dos dois sistemas:
Para prosseguir com o estudo de viabilidade econômica sobre o
investimento no sistema de aquecimento solar, analisaremos os valores resultantes
para realizar o fluxo de caixa como o investimento no sistema com aparelhos
individuais de aquecimento menos o investimento com o sistema de aquecimento
solar. Resultando em um alto custo inicial e um retorno durante os anos de operação
como mostrado na tabela a seguir:
Tabela 10 – Demonstração do resultado de caixa para comparação de investimento.
ANO CHUVEIRO ELÉTRICO
AQUECEDOR SOLAR
RESULTADO DE CAIXA
0 R$132,848.00 R$597,404.28 -R$464,556.28
1 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
2 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
3 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
4 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
5 R$246,496.32 R$26,261.38 R$220,234.94
6 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
7 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
8 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
9 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
10 R$246,496.32 R$280,085.49 -R$33,589.17
11 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
12 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
13 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
14 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
15 R$246,496.32 R$26,261.38 R$220,234.94
16 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
17 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
18 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
19 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
20 R$269,776.32 R$506,807.54 -R$237,031.22
21 R$136,928.32 R$26,261.38 R$110,666.94
Fonte: (Autor, 2016)
70
É possível construir, com os dados anteriores, o seguinte fluxo de caixa com a finalidade da realização de uma análise
de investimento único, considerando os custos e retornos ao longo dos anos.
Figura 21- Fluxo de caixa da diferença de investimento entre os dois sistemas de aquecimento.
Fonte: (Autor, 2016)
-$500.000,00
-$400.000,00
-$300.000,00
-$200.000,00
-$100.000,00
$-
$100.000,00
$200.000,00
$300.000,00
$400.000,00
$500.000,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Fluxo de Caixa
71
6.4. Critérios de viabilidade econômica para o investimento em estudo:
Para analisar a viabilidade do investimento, consideramos neste caso
principalmente o Tempo de retorno do investimento (Payback), o Valor Presente
Liquido (VPL) e a Taxa Interna de Retorno (TIR).
6.4.1 Cálculo do Tempo de retorno de investimento (Payback):
Os sistemas de aquecimento em estudo possuem apenas despesas
financeiras e não geram lucro em si. Portanto, o tempo de retorno de investimento é
calculado através da comparação entre os dois sistemas propostos e o saldo
positivo do sistema solar ao longo do tempo é dado através da economia de custos
com energia elétrica quando comparado com o outro sistema apresentado.
No caso especifico deste estudo, o tempo de retorno do investimento a
ser calculado representa o período necessário de tempo para que os custos dos dois
diferentes sistemas de aquecimento de água se equiparem. Visto que o sistema de
aquecimento solar possui um maior custo inicial de investimento, porém um menor
custo operacional durante os anos de funcionamento, é possível considerar que o
investimento no sistema solar trará retorno ao longo do tempo quando comparado
com o outro sistema em questão.
Inicialmente, para o cálculo do tempo de retorno do investimento, foram
considerados os valores do “Resultado de caixa” apresentados na “Tabela 13”
anteriormente. Utilizando estes valores, é possível verificar o saldo que se encontra
em caixa ao final de cada período. Desta maneira, a identificação do período em que
o caixa passa a compensar o valor negativo inicial do investimento e passa a ter
retorno de investimento com valores positivos.
O saldo acumulado de caixa em cada período está representado na
tabela a seguir:
72
Tabela 11 – Saldo acumulado de caixa no final de cada período.
ANO RESULTADO DE
CAIXA DO PERÍODO SALDO DO CAIXA NO
FINAL DE CADA PERÍODO
0 -R$464,556.28 -R$464,556.28
1 R$110,666.94 -R$353,889.34
2 R$110,666.94 -R$243,222.39
3 R$110,666.94 -R$132,555.45
4 R$110,666.94 -R$21,888.50
5 R$220,234.94 R$198,346.44
6 R$110,666.94 R$309,013.38
7 R$110,666.94 R$419,680.33
8 R$110,666.94 R$530,347.27
9 R$110,666.94 R$641,014.22
10 -R$33,589.17 R$607,425.05
11 R$110,666.94 R$718,091.99
12 R$110,666.94 R$828,758.93
13 R$110,666.94 R$939,425.88
14 R$110,666.94 R$1,050,092.82
15 R$220,234.94 R$1,270,327.77
16 R$110,666.94 R$1,380,994.71
17 R$110,666.94 R$1,491,661.65
18 R$110,666.94 R$1,602,328.60
19 R$110,666.94 R$1,712,995.54
20 -R$237,031.22 R$1,475,964.32
21 R$110,666.94 R$1,586,631.26
Fonte: (Autor, 2016)
É possível identificar na tabela anterior que há transição de valores
negativos em caixa para resultados positivos entre os anos 4 e 5.
Desta maneira, para maior precisão em meses, podemos dividir o
resultado de caixa do quinto ano em 12 meses, resultando em um valor mensal de
R$18.352,91 e o saldo de caixa passa a ser positivo ao final do segundo mês do
quarto ano de investimento. Então, o tempo de retorno do investimento (Payback) foi
estimado em 4 anos e 2 meses.
73
Para melhor visualizar o tempo de retorno de investimento (payback) de 4 anos e 2 meses, foi representado no gráfico
de fluxo de caixa a seguir, um novo gráfico linear com os valores do saldo acumulado em caixa, onde é possível visualizar o ponto
de transição entre valores negativos e positivos após o quarto ano de investimento.
Figura 22 - Fluxo de caixa e representação do saldo em caixa em curva.
Fonte: (Autor, 2016)
-$500.000,00
-$350.000,00
-$200.000,00
-$50.000,00
$100.000,00
$250.000,00
$400.000,00
$550.000,00
$700.000,00
$850.000,00
$1.000.000,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Fluxo de Caixa
74
6.4.2 Cálculo do Valor Presente Liquido (VPL):
O Valor Presente Liquido (VPL), em inglês chamado de Net Present
Value (NPV), é considerado uma técnica sofisticada de análise de viabilidade de um
projeto.
O VPL é obtido descontando o fluxo de caixa a uma taxa especificada,
trazendo, dessa forma, todos os valores para a situação inicial – a um valor presente
líquido.
Essa taxa especificada normalmente corresponde a uma de retorno
mínimo que deve ser obtido por um projeto, neste caso, foi estabelecido como a taxa
de 12% a.a. é considerado um valor médio em investimentos de baixo risco, sendo
maior que a poupança e um pouco abaixo da taxa SELIC.
Sob o ponto de vista do VPL, o projeto é considerado viável quando o
resultado do cálculo for maior do que zero, pois isso quer dizer que o projeto dará
um retorno maior do que a taxa especificada.
Para fluxos de caixa não uniformes, podemos utilizar a fórmula genérica
abaixo:
𝑉𝑃𝐿 = 𝐹𝐶0 + ∑𝐹𝐶𝑗
(1 + 𝑖)𝑗
𝑛
𝑗=1
(𝐼𝐼)
Onde:
FCj é o fluxo de caixa no período, sendo o período j = 0,1,2,…,n
i a taxa de juros da operação financeira ou a taxa de atratividade pretendida de investimento.
Com utilização dos dados de “Resultado de Caixa” apresentados na
Tabela 13 anteriormente, é possível calcular o VPL para o final do ciclo de vida do
investimento, considerando os valores de caixa até o final de 19 anos de operação.
Com uso da formula financeira apresentada para cálculo do VPL,
considerando a taxa de atratividade de 12% a.a. e os devidos dados sobre o fluxo de
caixa, foi encontrado o Valor Presente Liquido de R$386.334,62 positivo para o ciclo
de vida total do investimento. Logo, investimento é considerado viável, uma vez que
o VPL ≥ 0.
75
6.4.3 Cálculo da Taxa Interna de Retorno (TIR):
Para uma análise mais completa de viabilidade, além do cálculo do Valor
Presente Liquido, foi calculado também a Taxa Interna de Retorno a ser comparada
com a taxa de atratividade considerada para o investimento.
O parâmetro desta taxa, como mencionado anteriormente considera o
investimento viável quando ela é maior que a taxa de atratividade.
O cálculo da TIR se resume em encontrar através de um método iterativo
a taxa de retorno que satisfaz o VPL ao valor nulo, ou seja:
𝑉𝑃𝐿 = 0 = 𝐹𝐶0 + ∑𝐹𝐶𝑗
(1 + 𝑇𝐼𝑅)𝑗
𝑛
𝑗=1
(𝐼𝐼𝐼)
Onde:
FCj é o fluxo de caixa no período, sendo o período j = 0,1,2,…,n
É possível calcular então a Taxa Interna de Retorno através de métodos
iterativos com auxilio de calculadora financeira ou Excel.
A TIR encontrada para este caso foi de 25% ≥ 12%. Logo, o investimento
é considerado viável e a taxa de retorno interna encontrada satisfaz uma boa
expectativa de investimento.
76
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho, com uso de dados reais através de estudo de caso,
avaliou os custos e fatores econômicos para decisão de instalação de uma
alternativa sustentável de aquecimento de água para edifícios muiltiresidenciais de
grande porte e alto padrão no mercado baiano.
O estudo mostrou que além da alternativa solar ser menos nociva ao
meio-ambiente devido a grande economia de energia elétrica, há também viabilidade
econômica no ponto de vista do consumidor quando comparada com a utilização de
aparelhos eletrônicos em cada ponto de utilização que tem o menor custo inicial de
investimento.
Foi demonstrado através de cálculos de viabilidade econômica um
payback de 4 anos e 2 meses quando comparado com o investimento inicial
convencional com aparelhos eletrônicos. Além disso, foi demonstrado também um
valor presente liquido (VPL) no total de R$386.334,62 com um ciclo de investimento
acumulado em 19 anos e uma Taxa Interna de Retorno (TIR) de 25%. Podendo com
estes valores inferir em um investimento viável, pois mesmo com consideração de
alguns fatores externos de amortização financeira, o investimento já apresenta
retorno liquido.
Desta maneira, é possível definir a adoção do sistema de aquecimento
solar como uma medida favorável ao conceito do Desenvolvimento Sustentável para
nossa sociedade pois apresenta tanto fatores econômicos, quanto fatores ecológicos
benéficos para á sua adoção.
É recomendado então, a adoção deste sistema tanto do ponto de vista
ambiental como do ponto de vista financeiro quando tratado como um investimento
de longo prazo.
Apesar de o investimento ser caracterizado como economicamente viável
em sua vida útil, o retorno é dado à longo prazo e o custo inicial ainda é
representativo para que a maioria da população possa investir no setor.
Portanto, é de suma importância que lideranças do governo junto ao
ministério do meio ambiente identifiquem e invistam em politicas que venham a
estimular a adoção deste sistema amortecendo seu custo inicial para investidores
das classes mais variadas da população. Visto que a adoção de investimentos como
77
este apresentado estão de acordo com o processo de desenvolvimento em nosso
país de forma planejada em relação ao nosso meio-ambiente e em nossas
economias.
Os objetivos deste trabalho foram atingidos devido aos seguintes
entendimentos:
Foram reunidos conhecimentos técnicos sobre o projeto e funcionamento
do sistema de aquecimento solar de água em edificações tanto para o
próprio autor como para possíveis leitores e interessados sobre o tema.
Foi avaliado a viabilidade técnica do projeto em estudo, pois foi verificado
que o projeto em questão atende os requisitos técnicos necessários em
relação as normas e critérios de execução para o local de implantação do
sistema de aquecimento de água com uso de energia solar.
Foi avaliado economicamente a viabilidade sobre a implantação do
sistema de aquecimento de água com energia solar em edifícios
residenciais, através do cálculo do Tempo de retorno do investimento
(payback), Valor Presente Liquido (VPL) e a Taxa Interna de Retorno
(TIR) de maneira que foram apresentados resultados econômicos
positivos em relação ao mesmo.
Com os dados obtidos no trabalho, foi possível apresentar
recomendações para o processo de seleção do sistema de aquecimento
de água em futuras edificações ou residências.
O presente trabalho não esgota os estudos de viabilidade de investimento
em relação a aquecimento solar e propõe que novos estudos similares sejam
executados em diferentes regiões do Brasil e em comparação com diferentes
sistemas de aquecimento de água principalmente para fins residenciais.
78
REFERÊNCIAS
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Disponível em <http://www.abesco.com.br>, Acesso em 08 de setembro de 2016.
ANEEL - AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Energia Solar. Disponível
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julho de 2016.
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Estrutura tarifária para o serviço de distribuição de energia elétrica. Brasília:
2010.
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CHEN, Bete. Manual técnico para projeto e construção de sistemas de aquecimento solar
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Editora Ltda, 2004.
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acesso 24/08/2009.
CUSINATO, L. J.; SILVA, H. C. Otimização dos recursos energéticos : comparação de
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Contribuições da Eletrobras Procel e Parceiros, Rio de Janeiro, 2012.
79
ELETROBRAS PROCEL. Avaliação do mercado de eficiência energética no Brasil:
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2005. Rio de Janeiro: Eletrobras Procel, 2007.
FAEC. Notas de aula: Sistemas prediais de suprimento de água quente. Disponível em <
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FURTADO, C. O Mito do Desenvolvimento Econômico. Rio de Janeiro: Paz e Terra, 1974.
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