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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
USO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS EM UM EDIFÍCIO RESIDENCIAL
Flaviana Zini Fernandes
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil
Orientador: Profº Douglas Barreto
São Carlos
2011
DEDICATÓRIA
“O rio atinge os seus objetivos porque aprendeu a contornar os obstáculos.”
(André Luís)
À minha mãe Heloísa, por não ter medido esforços para garantir a minha educação, e à minha irmã Patrícia, pelo apoio durante todos os anos de minha formação.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Dr. Douglas Barreto, pela orientação paciente e pela
motivação constante.
Aos mestres do Departamento de Engenharia Civil, por terem me proporcionado um
ambiente de ensino-aprendizagem de excelência e por terem acreditado em meu potencial.
A turma de Engenharia Civil do ano de 2007, pelos momentos de descontração e
pelas contribuições à minha formação.
RESUMO
As fontes alternativas de energia surgem com o processo de reestruturação do setor elétrico brasileiro, onde a demanda por combustíveis menos poluentes aumenta expressivamente a cada ano. O setor residencial é o que vem recebendo mais atenção pelas políticas governamentais com o propósito de inserir o uso do gás natural e a energia solar na oferta interna de energia primária, já que elas se apresentam como fontes sustentáveis, viáveis e de fácil operação, quando comparadas à energia elétrica. Os sistemas prediais de aquecimento de água são responsáveis por uma parcela significativa no consumo de energia elétrica do país. Neste contexto, o presente trabalho analisa a viabilidade econômico-financeira na utilização de energias sustentáveis em alternativa à energia elétrica no sistema de aquecimento de água em instalações prediais residenciais. E tem como contribuição, diminuir a falsa concepção de inviabilidade econômica de novas fontes de energia.
Palavras-chave: sistema de aquecimento de água residencial, gás natural, energia solar, sustentabilidade.
ABSTRACT
ABSTRACT
Alternative sources of energy come with the process of restructuring the electricity sector, where demand for cleaner fuels increases dramatically each year. The residential sector is what has been receiving more attention by government policies in order to insert the use of natural gas and solar energy in the domestic supply of primary energy, as they present themselves as sustainable sources, viable and easy to operate, compared to electric energy. The building systems for heating water accounts for a significant part of energy consumption in the country. In this context, this study analyzes the economic and financial viability in the use of sustainable energy as an alternative to electric power system for heating water in residential building installations. And it has a contribution, decrease the false conception of economic unfeasibility of new energy sources.
Key-words: system of residential water heating, natural gas, solar energy, sustainability.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte - Fonte: BEN (2010) .............. 5
Figura 2 - Derivados de petróleo após o refino - Fonte: ANEEL (2009) ...................... 9
Figura 3 - Consumo de gás natural no Brasil - Fonte: BEN (2010) ........................... 12
Figura 4 - Média anual de insolação diária no Brasil - Fonte: Atlas solarimétrico do Brasil (INMET, 2011) .......................................................................................... 15
Figura 5 - Atlas eólico do Brasil (1998) - Fonte: INMET (2011) ................................. 18
Figura 6 - Configurações dos sistemas de aquecimento elétrico, gás e solar. Fonte: RAIMO, 2007 .......................................................................................... 23
Figura 7 - Esquema de funcionamento dos aquecedores a gás instantâneo ou de passagem. – Fonte: CHAGURI, 2009 ................................................................ 24
Figura 8 - Imagem interna do reservatório de um aquecedor de acumulação. Fonte: BORGES, 2008 ....................................................................................... 26
Figura 9 - Esquema aquecedor solar de placa plano. – Fonte: COMGÁS, 2011 ...... 27
Figura 10 - Trajetória do sol e desvio do Norte geográfico. – Fonte: COMGÁS, 2011 ........................................................................................................................... 28
Figura 11 - Esquema de instalação de aquecimento solar. – Fonte: BORGES, 2008 ........................................................................................................................... 40
Figura 12 - Tempo de retorno do investimento no coletor solar. Fonte: RAIMO, 2007 .......................................................................................... 43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Consumo de energia do setor residencial - Fonte: BEN (2010) ................. 7
Tabela 2 - Dados da energia hidráulica no Brasil - Fonte: BEN (2010) ..................... 10
Tabela 3 - As dez maiores usinas em operação, região e potência no Brasil - Fonte: ANEEL (2009) .................................................................................................... 11
Tabela 4 - Oferta e demanda de energia eólica - Fonte: BEN (2010) ....................... 17
Tabela 5 - Dados do questionário aplicado aos moradores do objeto de estudo. ..... 32
Tabela 6 - Frequência média de banho e tempo médio de banho para seis moradores. ......................................................................................................... 33
Tabela 7 – Consumo energético do edifício e a somatório de custos. ...................... 35
Tabela 8 - Consumo energético de um apartamento e a somatório de custos. ........ 36
Tabela 9 - Características técnicas dos aquecedores. .............................................. 38
Tabela 10 - Custo mensal de gás com um ponto de consumo, para medição coletiva e individual. ........................................................................................................ 39
Tabela 11 - Características técnicas dos coletores e custo do equipamento. ........... 41
Tabela 12 - Resumo das características e custos dos equipamentos utilizados no edifício. ............................................................................................................... 44
.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 1
1.1 Apresentação do problema ........................................................................... 1
1.1.1 Importância do projeto no contexto atual ...................................................... 1
1.2 Objetivos ....................................................................................................... 2
1.3 Justificativa.................................................................................................... 2
1.4 Metodologia................................................................................................... 3
1.5 Estrutura do texto .......................................................................................... 3
2. CONSUMO DE ENERGIA ............................................................................ 5
2.1 Cenário energético do setor residencial no Brasil ......................................... 6
3. FONTES DE ENERGIA ................................................................................ 8
3.1 Petróleo e derivados ..................................................................................... 8
3.2 Energia hidráulica ......................................................................................... 9
3.3 Gás natural.................................................................................................. 11
3.4 Energia solar ............................................................................................... 14
3.5 Carvão mineral ............................................................................................ 16
3.6 Energia eólica ............................................................................................. 17
3.7 Biomassa .................................................................................................... 19
3.8 Energia nuclear ........................................................................................... 19
4. SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA ............................................... 21
4.1 Eletricidade ................................................................................................. 21
4.2 Alternativas para os sistemas de aquecimento ........................................... 22
4.2.1 Aquecimento a gás ..................................................................................... 22
4.2.1.1 Aquecedores de passagem ........................................................................ 23
4.2.1.2 Aquecedores de acumulação ...................................................................... 24
4.2.2 Sistema solar .............................................................................................. 26
4.2.2.1 Orientação e inclinação dos coletores ........................................................ 27
4.3 Sistemas prediais de água quente .............................................................. 28
5. ESTUDO DE CASO .................................................................................... 30
5.1 Descrição do edifício estudo de caso .......................................................... 30
5.2 Levantamento do uso de aparelhos nas unidades ...................................... 30
6. DIMENSIONAMENTO DAS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ...... 33
6.1 Consumo de água quente ........................................................................... 33
6.2 Consumo energético do edifício .................................................................. 34
6.1 Dimensionamento do aquecedor a gás ....................................................... 36
6.2 Dimensionamento energia solar.................................................................. 40
6.3 Análise dos resultados ................................................................................ 44
7. CONCLUSÃO ............................................................................................. 46
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 47
ANEXO ...................................................................................................................... 51
1
1. INTRODUÇÃO
Neste trabalho é analisada a demanda energética de um edifício residencial e, de
acordo com os dados apresentados, estudar as possibilidades de se utilizar fontes
alternativas para a geração de energia no prédio. Para isso foram feitos estudos detalhados
dessas fontes e suas implicações nos projetos já existentes.
1.1 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
A energia elétrica é atualmente a modalidade de energia mais consumida no país. O
consumo crescente, aliado com a falta de investimentos no setor de geração, vem
aumentando a demanda, tornando o fornecimento cada vez mais crítico no curto prazo
(ANDRADE, 1997). As alternativas que visam o uso racional e eficiente de energia elétrica
apresentam, geralmente, custo e tempo de retorno de investimento pequeno, quando
comparados aos valores de outras alternativas. Assim, uma das soluções é a intervenção
junto às instalações consumidoras, através de ações para otimizar os sistemas de uso final
de energia elétrica presentes na instalação, sem comprometer o desempenho desta.
Analisando a viabilidade técnica e econômica de tal intervenção,é necessário
determinar a forma de como a energia elétrica está sendo utilizada (procedimento chamado
de diagnóstico energético), e posteriormente, formular soluções que aumentem a eficiência
do sistema em pesquisa. Com a análise dos resultados, é possível obter a viabilidade
econômica das soluções propostas, podendo ser executadas as que apresentarem maiores
vantagens técnicas e econômicas.
1.1.1 IMPORTÂNCIA DO PROJETO NO CONTEXTO ATUAL
O setor residencial brasileiro é, ainda, dependente da energia hidrelétrica e de
instalações de novas fontes de energia em prédios e apartamentos. Com a implantação de
fontes de energia solar e/ou gás natural, os impactos ambientais que envolvem e asseguram
o conforto, a saúde e a economia poderiam ser minimizador de forma significativa. As
implicações para a implantação de tais energias estão apresentadas neste trabalho
conforme o contexto atual energético.
2
1.2 OBJETIVOS
O objetivo principal é avaliar as possibilidades do uso de energias alternativas em
edifícios residenciais. Também foi identificar as modalidades de uso de energia e definir
quais são as mais adequadas para o uso em edifícios, considerando as características,
técnicas e de custos envolvidos.
1.3 JUSTIFICATIVA
O Brasil possui um dos maiores e melhores potenciais energéticos do mundo. A
energia hidroelétrica é responsável por grande parte na produção da energia elétrica no
país, por ser uma energia limpa e devido ao rico mapa hidrográfico do país. O setor
residencial brasileiro consome mais da metade da energia elétrica produzida, seja para o
funcionamento de eletrodomésticos como para o aquecimento de água. (ANEEL, 2009)
A região sudeste, com o maior índice populacional do país, é a maior consumidora
da energia gerada. Com o desenvolvimento urbano e o crescimento populacional, a
utilização da energia elétrica só tende a crescer obrigando que o governo tome iniciativas a
expandir o sistema energético. A oferta deve acompanhar a evolução, e assim, processos
de otimização da energia devem ser implantados. (BEN, 2010)
As fontes alternativas são implantadas no setor energético brasileiro, principalmente
no setor residencial, a fim de introduzir energias que minimizem o consumo da energia
elétrica. Os sistemas mais utilizados são o sistema solar e o sistema de aquecimento a gás
natural. A instalação desses sistemas nas residências ainda possui um custo alto para
classes sociais mais baixas. (MANSUR, 2004)
O “boom” imobiliário aposta em novas tecnologias que impressionem seus clientes,
e a entrega de um empreendimento com características sustentáveis é uma das jogadas de
marketing atualmente. A principal ferramenta utilizada é o aquecimento de água pelo
sistema a gás canalizado. Além de suas vantagens econômicas, o usuário ainda ajuda na
preservação do meio ambiente. (MANSUR, 2004)
Neste trabalho, é feito um estudo sobre as possíveis adaptações dos sistemas
sustentáveis de aquecimento de energia em um edifício já existente, e a partir dos dados
obtidos, analisar a viabilidade econômica em instalar um novo sistema de geração de
energia.
3
1.4 METODOLOGIA
Em termos de metodologia para o desenvolvimento deste trabalho foram
estabelecidas as seguintes atividades:
As atividades para desenvolver a metodologia deste trabalho foram:
a) Introduzir o assunto e estabelecer os fundamentos do trabalho na revisão
bibliográfica;
b) Caracterizar as fontes de energia (solar, eólica, gás natural e outras) para uso
em edificações;
c) Caracterizar o edifício objeto do estudo;
d) Caracterizar o consumo de energia comum e individual através de pesquisa
de campo;
e) Aplicar o questionário com questões abertas aos moradores a fim de colher
dados do consumo energético do edifício;
f) Caracterizar os equipamentos de produção de água quente e energia;
g) Compilar os resultados das atividades e) e f);
h) Analisar a capacidade dos equipamentos em atender a demanda individual
comum;
i) Analisar a implantação no edifício e as possíveis mudanças de projeto;
j) Discutir e concluir os resultados obtidos.
1.5 ESTRUTURA DO TEXTO
O trabalho está apresentado nos seguintes capítulos:
1 – Introdução: apresenta o problema estudado, a justificativa, objetivos, metodologia
e estrutura do trabalho de conclusão de curso;
2 – Consumo de energia: aborda as questões relativas ao consumo de energia e a
matriz energética nacional;
3 – Fontes de energia: discorre-se sobre as diversas formas de energia abordando
as características de obtenção de cada uma delas;
4 – Sistemas de aquecimento de água: apresentam-se os diversos sistemas de
aquecimento de água utilizados nas edificações;
4
5 – Estudo de caso: apresenta-se o edifício sobre o qual se desenvolveu todo o
estudo de aplicabilidade do uso de energia alternativa (gás e solar).
6 – Dimensionamento das fontes alternativas de energia: apresenta os cálculos para
o consumo de água quente, dimensionamento do aquecedor a gás, dimensionamento da
energia solar e análise dos resultados;
7 – Conclusão: apresentam-se as principais conclusões e considerações.
5
2. CONSUMO DE ENERGIA
O consumo de energia é muito importante nos dias atuais para as atividades
humanas. As principais fontes de energia utilizadas são: petróleo, hidráulica, gás natural,
solar, carvão, eólica, biomassa e nuclear. Essas energias podem ser divididas em
renováveis, isto é, energia proveniente de recursos naturais, disponíveis no ambiente e que
causam menores impactos ambientais (solar, eólica, hidráulica e outras), e as não-
renováveis, as quais possuem reservas limitadas e não sendo possível a reposição do que
se gasta (petróleo, gás natural e carvão). Devido à exploração das fontes de energia, sendo
que algumas podem causar graves danos ambientais, começou-se a economia do consumo
de energia em atividades das indústrias, residências, transportes e outros. Contudo, essa
economia pode proporcionar uma vida sustentável a longo prazo. (ANEEL, 2009)
A Figura 1, a seguir, apresenta a distribuição das principais fontes de energia no
Brasil.
Figura 1 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte - Fonte: BEN (2010)
No Brasil, atualmente, a energia elétrica é a modalidade mais consumida, sendo
predominantemente renovável e com um setor hidráulico responsável por mais de 76% da
oferta (BEN, 2010), conforme mostra a Figura 1 anterior.
6
O aumento do consumo de energia elétrica, ao longo dos anos, provoca
preocupações em relação à capacidade de a oferta acompanhar a demanda. As primeiras
iniciativas de buscar tecnologias de conservação, no Brasil, começaram em 1975 com a
organização de um seminário sobre o assunto, realizado pelo Grupo de Estudos sobre
Fontes Alternativas de Energia (GEFAE) e as pesquisas focaram a eficiência na cadeia de
captação, transformação e consumo de energia. (HORNBURG, 2007)
Assim, ao longo dos anos, foram implantadas campanhas de combate ao
desperdício e o investimento em ações que promovessem o aumento da eficiência no uso
de energia elétrica.
Segundo o MME (1999), o país conta com o Sistema Interligado Nacional (SIN) na
geração e transmissão de energia elétrica, composto por usinas, linhas de transmissão e
ativos de distribuição. O SIN abrange as regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e
parte do Norte, somando mais de 89,2 mil quilômetros em linhas de transmissão. O
Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) é o responsável pela coordenação e controle
da operação do SIN, realizada pelas companhias geradoras e transmissoras, sob a
fiscalização e regulação da ANEEL. A integração entre as regiões no Brasil traz grandes
benefícios, uma vez que o país possui um grande número de usinas hidrelétricas localizadas
em regiões com diferentes regimes hidrológicos. A região Sudeste que concentra 43% da
população brasileira e 11% do território nacional é responsável por quase 60% do consumo
de energia elétrica do país, segundo dados de 1999 do Ministério de Minas e Energia (MME,
1999).
2.1 CENÁRIO ENERGÉTICO DO SETOR RESIDENCIAL NO BRASIL
De acordo com a ANEEL (2009):
“Em 2008, cerca de 95% da população tinha acesso a rede elétrica e
o país contava com mais de 61,5 milhões de unidades consumidoras em 99%
dos municípios brasileiros, sendo destas, a grande maioria, cerca de 85%
residencial”.
O setor residencial apresenta um grande crescimento ao longo dos anos devido às
políticas de redução de impostos para alguns bens de consumo e devido ao aumento da
renda per capita. A ampliação no consumo de energia elétrica nas residências vem
aumentando ao longo dos anos decorrente da crescente entrada de aparelhos
eletroeletrônicos no ambiente doméstico, e isso foi permitido pelo aumento do PIB nacional.
(BEN, 2010).
7
A Tabela 1, a seguir, apresenta a participação das diversas fontes de energia no
consumo residencial no Brasil.
Tabela 1 - Consumo de energia do setor residencial - Fonte: BEN (2010)
FONTES (%) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Gás Natural 0,5 0,6 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0
Lenha 31,8 34,0 37,1 38,1 37,8 37,7 37,5 35,1 33,9 32,4
Gás Liquefeito de petróleo 30,6 31,4 29,5 27,3 27,3 26,2 25,8 26,5 26,6 26,3
Querosene 0,2 0,3 0,3 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0
Gás Canalizado 0,3 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Eletricidade 34,7 31,5 30,2 31,3 31,6 32,8 33,4 35,1 36,2 37,7
Carvão Vegetal 2,0 2,1 2,1 2,4 2,4 2,4 2,3 2,3 2,3 2,5
TOTAL 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Com base nos dados da BEN (2010), até o final da década de 80, a lenha era
responsável por aproximadamente 50% do total de consumo de combustível no setor,
seguido pelo gás liquefeito de petróleo (GLP) com 28%, e a eletricidade, com 20%. De
acordo com a Tabela 1, BEN (2010), a fonte mais utilizada no setor residencial atualmente é
a eletricidade. Isso ocorreu devido à evolução demográfica e sócio-econômica do país nas
últimas décadas. A lenha, utilizada como fonte de energia no meio rural e em domicílios de
baixa renda perdeu importância para a eletricidade e o GLP, com maior eficiência na
obtenção de energia útil e também devido à eficiência técnica dos equipamentos de uso
final. (ANEEL, 2009)
O uso racional e eficiente de energia no setor residencial deve partir de intervenções
nas instalações consumidoras, identificando as modalidades mais adequadas paras as
residências, considerando as características, técnicas e custos envolvidos.
8
3. FONTES DE ENERGIA
A seguir, a revisão bibliográfica específica para as fontes de energia: petróleo,
hidráulica, gás natural, solar, carvão, eólica, biomassa e nuclear.
3.1 PETRÓLEO E DERIVADOS
O petróleo e seus derivados transformaram-se, ao longo dos anos, na principal fonte
primária da matriz energética mundial e também em insumo para praticamente todos os
setores industriais. As crises presenciadas nesse período provocaram problemas
econômicos em vários países e alertaram para a necessidade de redução na dependência
dessa substância. (BEN, 2010)
A atual participação do petróleo na produção mundial de energia elétrica é pouco
expressiva e têm recuado nos últimos anos em decorrência dos investimentos realizados na
utilização de outras fontes menos agressivas ao meio ambiente, como o carvão, água, gás
natural e energia nuclear, e com preços menores e mais estáveis. O petróleo possui papel
relevante na geração de eletricidade em países que não dispõem de outras alternativas.
(ANEEL, 2009)
Os derivados mais conhecidos do petróleo são: gás liquefeito (GLP ou gás de
cozinha), gasolina, óleo diesel, querosene, óleo combustível, asfalto, lubrificante, solventes,
parafinas e outros. (ANEEL, 2009)
No Brasil, a participação do petróleo na matriz da energia elétrica vem crescendo
devido às novas descobertas de reservas, das quais a maioria encontra-se no mar. (BEN,
2010)
Na Figura 2, a seguir, são representados os derivados de petróleo após o refino e
suas porcentagens no mercado brasileiro.
9
Figura 2 - Derivados de petróleo após o refino - Fonte: ANEEL (2009)
O óleo diesel é o derivado mais produzido no Brasil no uso de geração de energia
elétrica por este abastecer as usinas instaladas, principalmente na região Norte do país, e
assim atender os Sistemas Isolados, os quais ainda não são conectados ao Sistema
Interligado Nacional (SIN). (ANEEL, 2009)
A descoberta de campos de petróleo tem o poder de mudar as características
socioeconômicas de uma região, valorizando imóveis, aumentando as vendas do comércio,
incentivando investimentos públicos municipais, entre outras. Porém, traz consigo os
impactos ambientais. Em terra, a exploração pode provocar alterações e degradações do
solo, e no mar, além da interferência no ambiente, coloca em risco a fauna e a flora
aquática. Por isso a produção de petróleo tende a ser submetida a uma forte legislação
ambiental. (AGUIAR, 2004)
3.2 ENERGIA HIDRÁULICA
O setor elétrico brasileiro possui uma matriz energética com forte participação de
fontes renováveis já que os parques de usinas hidrelétricas não se caracterizam pela
emissão de gases do efeito estufa, e assim é classificada no mercado internacional como
energia limpa.
Os resultados preliminares do Balanço Energético Nacional (BEN, 2010), indicam
que a energia de fonte hidráulica (hidreletricidade) responsável por 14,7% da matriz
energética brasileira, sendo superada por derivados da cana-de-açúcar com 16% e petróleo
e derivados com 36,7%. Na oferta interna de energia elétrica, a energia de fonte hidráulica
10
produzida no país representou 85,6%, constituindo-se de longe, na maior produtora de
eletricidade do país. A Tabela 2, a seguir, apresenta a oferta e demanda da energia
hidráulica no Brasil.
Tabela 2 - Dados da energia hidráulica no Brasil - Fonte: BEN (2010)
FLUXO (GWh) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Produção 304.403 267.876 286.092 305.616 320.797 337.457 348.805 374.015 369.556 390.988
Consumo total 304.403 267.876 286.092 305.616 320.797 337.457 348.805 374.015 369.556 390.988
Transformação 304.403 267.876 286.092 305.616 320.797 337.457 348.805 374.015 369.556 390.988
Geração pública 298.563 262.665 274.338 294.274 308.584 325.053 335.761 359.256 354.285 371.670
Geração de autoprodutores
5.840 5.211 11.754 11.342 12.213 12.404 13.044 13.044 15.271 19.318
De acordo com a Tabela 2, a produção de energia hidráulica aumentou cerca de
23% em nove anos, mostrando a importância desta energia no setor energético brasileiro.
Em novembro de 2008, as usinas hidrelétricas eram responsáveis por 75,68% da
potência total instalada no país. Porém no passado, o parque hidrelétrico chegou a
representar 90% da capacidade instalada. A diminuição da capacidade instalada pode ser
explicada pela necessidade de diversificação da matriz elétrica de forma a aumentar a
segurança do abastecimento, a dificuldade em oferecer novos empreendimentos
hidrelétricos e o aumento de entraves jurídicos que prorrogaram o licenciamento ambiental
de usinas hidráulicas. (ANEEL, 2009)
Atualmente, os maiores entraves à expansão hidrelétrica do país são de natureza
ambiental e judicial. Assim, por conta dessa dificuldade de aceitação por parte das
comunidades atingidas e da pressão de grupos organizados (ONGs), projetos sustentáveis
começaram a ser desenvolvidos, buscando os resultados econômicos e simultaneamente,
compensando os impactos socioambientais provocados pelas usinas. (HORNBURG, 2007)
A Tabela 3 indica as dez maiores usinas em operação por região e sua respectiva
potência.
11
Tabela 3 - As dez maiores usinas em operação, região e potência no Brasil - Fonte: ANEEL (2009)
FLUXO POTÊNCIA (kW) REGIÃO
Tucuruí I e II 8.370.000 Norte
Itaipú (parte brasileira) 6.300.000 Sul
Ilha Solteira 3.444.000 Sudeste
Xingó 3.162.000 Nordeste
Paulo Afonso IV 2.462.400 Nordeste
Itumbiara 2.082.000 Sudeste
São Simão 1.710.000 Sudeste
Governador Bento Munhoz da Rocha Neto (Foz do Areia) 1.676.000 Sudeste
Jupiá (Eng° Souza Dias) 1.551.200 Sudeste
Porto Primavera (Eng° Sérgio Motta) 1.540.000 Sudeste
Os principais projetos de usinas hidrelétricas, inclusos no Programa de Aceleração
do Crescimento (PAC) do Governo Federal, estão localizados na bacia Amazônica, no rio
Madeira, na bacia do Tapajós, no rio Teles Pires e na bacia do Xingu, para a qual esta
prevista a construção da Usina de Belo Monte. Estas usinas são consideradas como
iniciativas que proporcionaram expansão da infra-estrutura, estimulando o desenvolvimento
econômico, tecnológico e social das áreas atingidas. (BEN, 2010)
O investimento do Governo Federal em novos projetos indica que a energia
hidráulica continuará sendo, por muitos anos, a principal fonte geradora de energia elétrica
do Brasil.
3.3 GÁS NATURAL
O gás natural apresenta-se em grande desenvolvimento, com o crescimento das
reservas no país e com os investimentos em infra-estrutura, sendo assim, uma alternativa
viável e de fácil operação, oferecendo um custo de geração mais baixo do que os outros
combustíveis. É um produto com grande valor agregado sob a ótica do setor elétrico, pois
substituindo o uso da eletricidade no aquecimento ou resfriamento da água com a utilização
direta do combustível, contribuiria na redução da demanda de energia elétrica,
principalmente nos períodos de pico. A sua queima é limpa, não gerando cinzas ou detritos
poluentes e apresenta uma menor contribuição de emissões de gás carbônico. Porém, ao
12
ser comparado com fontes renováveis como a energia nuclear e a energia hidroelétrica, o
gás natural perde em termos de emissões de gases que conduzem ao efeito estufa. No
entanto, apresenta vantagens significativas no sentido de não gerar resíduos radioativos e
não apresentar grandes impactos à natureza. (BEN, 2010)
Figura 3 - Consumo de gás natural no Brasil - Fonte: BEN (2010)
O segmento residencial de gás natural é um dos mercados de maior expansão. A
PETROBÁS projetou, até 2016, uma expansão de 40 % no mercado residencial de energia,
como pode ser observado anteriormente na Figura 3. As consequências imediatas previstas
para os clientes são o aumento no investimento por parte da concessionária de gás, para a
expansão da malha de distribuição, e a melhoria dos produtos existentes no mercado.
(ZATORRE, 2006)
Segundo ZATORRE (2006), essas modificações no setor energético residencial
proporcionarão diversas vantagens aos novos consumidores:
Ausência de estocagem, pois seu transporte e entrega ao usuário final são
feitos através das redes de distribuição, que vão desde a fonte de produção
até o consumidor, permitindo um fornecimento contínuo (sem necessidade de
reabastecimento) liberando assim, a área útil da edificação;
Maior segurança, pois em caso de vazamento (devido à menor densidade do
gás natural em relação ao ar) dissipa-se rapidamente na atmosfera;
13
Principalmente, uma significativa economia quando substituto da energia
elétrica.
Em relação aos tipos de aquecedores a gás utilizado, eles são divididos
comercialmente em aquecedores de passagem ou instantâneos, e aquecedores de
acumulação ou acumulativo. O mais utilizado é o aquecedor de passagem por apresentar
um menor custo de aquisição e pelo fato de serem equipamentos compactos, podendo ser
instalados em pequenos espaços. Além disso, só funcionam quando há necessidade de
água aquecida, garantindo menor economia. No mercado, este equipamento apresenta
diversos modelos, desde 5 litros/min (atende 1 ponto de consumo), até 20 litros/min (atende
até 3 pontos de consumo). (CORDEIRO, 2001)
Já o aquecedor de acumulação armazena água para momentos de necessidade em
vários locais ao mesmo tempo, e para instalá-lo é necessário uma área maior,
caracterizando sua principal desvantagem. Há um consumo de gás natural constante para
manter a água sempre quente no depósito, gerando um gasto maior. Comercialmente, este
equipamento apresenta modelos com reservatórios de 85 litros (atende até 2 pessoas) até
190 litros (atende mais de 5 pessoas). (CUMULUS, 2008)
A utilização de gás natural em prédios residenciais tornou-se bastante explorada no
marketing de venda dos apartamentos, pois existe um aumento na qualidade (conforto)
quando comparado com aqueles que utilizam a energia elétrica ou solar no aquecimento de
água. Isso agrega maior valor ao empreendimento, devido ao fato de se obter água quente
com temperaturas superiores ao do chuveiro elétrico e em maiores períodos de tempo
quando comparado ao aquecimento pela energia solar. (ZATORRE, 2006)
Em comparação com a energia solar, que precisa de fonte auxiliar para suprir a
demanda de água quente em dias de baixa radiação solar, deve-se ressaltar que a
utilização do gás natural no aquecimento de água predial residencial não necessita de
nenhum outro complemento energético. (BEN, 2010)
O gás natural, devido a sua amplitude de usos, torna-se um competidor com grande
pontecial frente a quase todos os demais combustíveis alternativos. Assim, no setor
residencial, a substituição da energia elétrica pelo gás natural nos diferentes processos
térmicos de uma residência, diminuiria significavelmente a energia consumida e ajudaria na
racionalidade do sistema energético brasileiro, através da sua utilização extensiva.
14
3.4 ENERGIA SOLAR
A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para
aquecimento de fluídos e ambientes e para a geração de potência elétrica, a qual é gerada
através de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico
e o fotovoltáico. A conversão da energia solar em energia elétrica ocorre através de efeitos
de radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, chamados de semicondutores.
(COMGÁS, 2011)
Um dos processos mais utilizados da energia solar é o aquecimento de água, sendo
mais encontrados, no Brasil, nas regiões Sul e Sudeste, devido as características climáticas.
A maior parte do território brasileiro está localizada próxima da linha do Equador, do modo
que não é observado grandes variações na duração solar do dia. Porém, a maioria da
população brasileira e das atividades socioeconômicas do país está localizada em regiões
mais distante do Equador. Para maximizar o aproveitamento da radiação solar, deve-se
ajustar a posição do coletor ou painel solar de acordo com a latitude, local e o período do
ano em que se requer mais energia. (LAMBERT, 1996). A seguir, a Figura 4 com a
insolação diária no Brasil.
15
Figura 4 - Média anual de insolação diária no Brasil - Fonte: Atlas solarimétrico do
Brasil (INMET, 2011)
No setor predial residencial, o sistema de aquecimento solar consiste em um
reservatório térmico isolado termicamente e um conjunto de coletores que captam a energia
irradiada pelo sol, aquecendo a água que circula pela serpentina e armazenando-a no
reservatório para consumo. (COMGÁS, 2011)
O coletor é normalmente instalado no teto das residências e edificações, ficando
conhecido como “teto solar”. Devido à baixa densidade de energia solar que incide sobre a
superfície terrestre, em uma única residência, pode-se ser necessária a instalação de vários
metros quadrados de coletores para atender a necessidade energética. (BORGES, 2008)
Segundo a ANEEL (2009), para o suprimento de água quente de uma residência
típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4m² de coletor, e somente com
o aquecimento doméstico de água para banho, são gastos anualmente cerca de 20 bilhões
16
de kWh de energia elétrica, e essa energia sendo quase toda gerada em poucas horas do
dia (basicamente entre 18h e 20h), o que significa sobrecarga no sistema.
A energia solar poderia suprir esse gasto, com vantagens socioeconômicas e
ambientais, porém, a difusão dessa tecnologia ainda é limitada devido ao custo de aquisição
dos equipamentos, particularmente para residências de baixa renda. O preço do coletor
solar adequado a uma residência de baixa renda custa cerca de R$ 550,00, ao passo que o
preço de um chuveiro elétrico convencional é da ordem de R$ 15,00. (BEN, 2010)
Diante do grande potencial energético do país, o incentivo ao aquecimento da água
pela energia solar ainda é insignificante diante das demais energias alternativas. Já existem
projetos de aproveitamento da radiação solar no país, para fins comerciais e residenciais,
indicando cenários futuros muito mais favoráveis ao uso dessa energia no Brasil.
3.5 CARVÃO MINERAL
O uso do carvão mineral na geração de vapor para movimentar as máquinas foi um
dos pilares da Primeira Revolução Industrial, iniciada na Inglaterra no século XVIII. Já no fim
do século XIX, o vapor foi aproveitado na produção de energia elétrica. E assim, o carvão
estabeleceu-se como a fonte mais utilizada na geração de energia elétrica no mundo,
respondendo por 41% da produção total (ANEEL, 2009).
Na natureza existem dois tipos de carvão: o vegetal e o mineral. O primeiro é obtido
a partir da carbonização da lenha, e o segundo, é formado pela decomposição da matéria
orgânica durante milhões de anos, sob determinadas condições de temperatura e pressão.
Ambos podem ser utilizados na indústria, principalmente na siderúrgica, e na produção de
energia elétrica. No Brasil o carvão vegetal é o mais utilizado, sendo o maior produtor
mundial desta fonte. A desvantagem do carvão vegetal é o seu baixo poder calorífico e a
elevada participação de impurezas, sendo assim pobre do ponto de vista energético e
altamente poluente. (ANEEL, 2009)
No Brasil, as maiores jazidas situam-se nos estados do Rio Grande do Sul e Santa
Catarina. Porém, a aplicação desse mineral é restrita devido a fatores como a vocação
brasileira na utilização de fontes hídricas na produção de energia elétrica e a baixa
qualidade da maior parte do carvão nacional. Há também restrições de natureza geopolítica
e entraves tecnológicos e econômicos que refletem no custo da geração da eletricidade.
De acordo com a ANEEL (2009):
“No Brasil, o minério representa, no entanto, pouco mais de 1,5% da
matriz da energia elétrica. Em 2007, ano em que 435,68 TWh produzidos no
17
país, o carvão foi responsável pela geração de 7,9 TWh, a partir da operação
de usinas termelétricas que estão localizadas na região Sul”.
A extração do carvão gera benefícios econômicos como empregos diretos e
indiretos, aumento da demanda por bens e serviços na região e aumenta da arrecadação
tributária, e o processo de produção, da extração até a combustão, provoca significativos
impactos socioambientais. Estimativas apontam que o carvão é responsável por entre 30%
e 35% do total de emissões de CO2, principal agente do efeito estufa. (BEN, 2010)
A preservação ambiental impulsionou no desenvolvimento de tecnologias limpas. Na
produção de energia elétrica, ocorrem grandes investimentos em Pesquisa e
Desenvolvimento, focados na redução de impurezas e diminuição de emissões das
partículas poluentes.
3.6 ENERGIA EÓLICA
“A energia eólica é denominada como a energia cinética contida nas massas de ar
em movimento, no caso o vento. Seu aproveitamento ocorre através da conversão da
energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas
eólicas, também denominadas aerogeradores, para a geração de energia elétrica ou através
de cataventos e moinhos para trabalhos mecânicos, como bombeamento de água” (ANEEL,
2009).
Espera-se que a energia eólica venha a ser muito mais competitiva economicamente
nos próximos anos devido aos recentes desenvolvimentos tecnológicos, reduzindo o custo e
melhorando o desempenho e a confiabilidade nos equipamentos. A Tabela 4, a seguir,
mostra a oferta e demanda da energia eólica no ano de 2011.
Tabela 4 - Oferta e demanda de energia eólica - Fonte: BEN (2010)
FLUXO (GWh) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Geração total 53 53 56 63 74 74 342 668 1.183 1.238
Consumo total 53 53 56 63 74 74 342 668 1.183 1.238
Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário
que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50 metros, o que requer
18
uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. Os melhores potenciais do Brasil estão no
litoral das regiões Norte e Nordeste, onde a velocidade média do vento, a 50m do solo, é
superior a 8 m/s. As outras regiões com grande potencial eólico são o Vale São Francisco, o
Sudoeste do Paraná e o litoral do Rio Grande do Sul. Segundo dados do Centro de
Referência para Energia Solar e Eólica o potencial eólico brasileiro é da ordem de 140.000
MW. (CRESESB, 2011)
A Figura 5 mostra a velocidade do vento no Brasil em cada região, merecendo
destaque a região nordeste com o maior potencial eólico.
Figura 5 - Atlas eólico do Brasil (1998) - Fonte: INMET (2011)
A participação da energia eólica no Brasil na geração de energia elétrica ainda é
desprezível diante das demais fontes. Em 2002 havia apenas seis centrais eólicas em
19
operação no país, todas na região Nordeste. Os esforços do Governo Federal em amenizar
os impactos da crise no abastecimento de energia elétrica têm despertado o interesse de
muitos empreendedores, o que fez surgir novos projetos, a grande maioria localizados no
litoral dos estados do Ceará e Rio Grande do Norte, e ainda há alguns projetos no interior de
Pernambuco, na Bahia e no Rio de Janeiro. (ANEEL, 2009)
3.7 BIOMASSA
A biomassa é considerada uma das principais alternativas para a diversificação da
matriz energética e a conseqüente redução da dependência dos combustíveis fósseis. É
possível obter energia elétrica e biocombustíveis, como o biodiesel e o etanol. Diante do
mercado internacional o Brasil de destaca como o segundo maior produtor de etanol, que é
obtido a partir da cana-de-açúcar. (HORNBURG, 2007)
No Brasil, em 2009, a biomassa foi a segunda principal fonte de energia, superada
apenas pelo petróleo e derivados. Entre as fontes de energia interna só foi superada pela
hidreletriciade. (BEN, 2010)
A cana-de-açúcar é um recurso com grande potencial, dentre as fontes de biomassa,
pois na geração de eletricidade utiliza-se do bagaço e da palha e como produto final, o
etanol, cujo consumo é crescente em substituição aos derivados de petróleo como o óleo
diesel e a gasolina. No plano nacional, o maior potencial de eletricidade, utilizando cana-de-
açúcar, encontra-se na região Sudeste, particularmente no Estado de São Paulo. Na
sequência estão Paraná e Minas Gerais. (HORNBURG, 2007)
O manejo adequado da plantação permite a retirada planejada de árvores, e com o
uso de técnicas da engenharia florestal e agrônoma, os impactos no solo e nas florestas são
minimizados. O método tradicional da colheita de cana-de-açúcar é a colheita manual
acompanhada da queima da palha, responsável na produção de grandes volumes de CO2.
No entanto, com o aumento da produtividade neste setor, várias usinas estão optando pela
colheita mecânica, o que exclui as queimadas.
3.8 ENERGIA NUCLEAR
Nos últimos anos a energia nuclear, produzida a partir do átomo de urânio, passou a
ser considerada uma fonte limpa pela baixa emissão de volumes de gás carbônico gerado
nas atividades nucleares.
20
O minério de urânio, metal pouco menos duro que o aço, é encontrado em estado
natural nas rochas da crosta terrestre. Desse minério é extraído o átomo de urânio utilizado
na geração nuclear.
No Brasil, o monopólio da mineração de elementos radioativos e da produção e
comércio de materiais nucleares são feitos pelas Indústrias Nucleares Brasileiras (INB),
sendo assim, as responsáveis pela extração e processamento do urânio e demais minerais
radioativos. (ANEEL, 2009)
A geração nuclear de energia elétrica está em expansão. Novas unidades estão em
construção e o cenário brasileiro é propício para este desenvolvimento, apresentando
grandes vantagens: as boas reservas do mineral e o domínio da tecnologia de
enriquecimento de urânio. (HORNBURG, 2007)
A instalação de usinas nucleares em território nacional teve início na década de 70,
com a construção de Angra I. Após alguns anos, foram adquiridas pelo Governo Federal as
usinas de Angra II e Angra III. Esta última, ainda desabilitada, deve entrar em operação no
início de 2014. Com isto, a participação da capacidade nuclear instalada no Brasil deve
passar de 1,98% para 2,5%, um aumento de quase 21% na geração de energia deste setor.
(ANEEL, 2009)
O incentivo a energia nuclear tem caráter ambiental, pois seria uma expansão e
diversificação da matriz energética, de forma que atenderia ao crescente consumo de
energia no país, poupando os combustíveis fósseis. As usinas nucleares são as menos
agressivas ao meio ambiente, pois na fase de operação da usina, os níveis de
radioatividade são permanentemente monitorados e controlados, de forma a não superar os
limites previstos pelos órgãos reguladores. No entanto, ainda não se conseguiu encontrar
uma solução para os dejetos radioativos. Alternativas para depósito desses dejetos estão
em estudo no exterior, e uma das sugestões é o armazenamento em uma estrutura
geológica estável. (BEN, 2010)
As chances de acidentes em usinas nucleares são altas e a tecnologia hoje existente
apenas atenua, mas não acaba com os riscos de acidentes ambientais. O impacto ambiental
que estas usinas causam tem sido muito enfatizado nas últimas décadas, sendo hoje
preocupação de movimentos ambientalistas, tanto em termos globais como regionais, além
de uma remota, mas não desprezível contaminação do solo, do ar e da água por
radionuclídeos oriundos da água utilizada no sistema de refrigeração dos cilindros de urânio.
21
4. SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
O setor residencial brasileiro reflete a cultura do uso excessivo da eletricidade para
aquecimento de água. Cerca de 24% do consumo total de energia elétrica gerada no país é
consumida por esse setor, e desses, uma parcela é utilizada para o aquecimento de água.
(BEN, 2010). Com as políticas nacionais de conservação e uso racional de energia, a
inclusão do uso do gás natural e da energia termo-solar no aquecimento de água
começaram a mudar o cenário energético residencial brasileiro, apresentando vantagens
sobre a energia elétrica como a redução da demanda de energia consumida e a
racionalização no sistema energético.
4.1 ELETRICIDADE
O equipamento mais utilizado no aquecimento de água nas residencias é o chuveiro
elétrico, e isto é devido ao baixo custo de aquisição e instalação dos aparelhos. Ele teve no
passado e ainda tem hoje uma grande importância na acessibilidade de conforto de água
quente, e com a sua proliferação, provocou uma sobrecarga no setor elétrico, devido,
principalmente, a concentração de uso em determinados horários, os chamados “horários de
pico”, ou seja, horário em que há um grande consumo de energia em um curto espaço de
tempo. Assim, devido a este problema, e as políticas nacionais de conservação e uso
racional de energia, as concessionárias de distribuição de eletricidade começaram a investir
na substituição de chuveiros elétricos por sistemas de acumulação com aquecimento a gás
e solar. (CHAGURI, 2009)
Para uso residencial as fontes de energia mais utilizadas, comparado com os demais
combustíveis, são a solar e gás natural, por necessitarem de um espaço pequeno para
armazenamento, manipulação e operação. O gás natural apresenta vantagens em relação
aos demais combustíveis por possibilitar maior rendimento térmico, controle e uma
combustão limpa, sem gerar resíduos; e a energia solar é viável em praticamente todo o
território brasileiro, com painéis solares cada vez mais potentes e com o custo de aquisição
decaindo devido à grande utilização. (CHAGURI, 2009)
Cada um dos sistemas de aquecimento de água requer requisitos próprios, a
dificuldade se encontra em estabelecer limites entre padrões de qualidade e segurança com
o interesse de investimento dos empreendedores. Estes requisitos impõem limites que
aumentam os custos de instalações e operação dos sistemas de aquecimento que devem
22
ser repassados ao mercado consumidor e quanto maior esses padrões, maior o custo do
investimento. (CHAGURI, 2009)
4.2 ALTERNATIVAS PARA OS SISTEMAS DE AQUECIMENTO
Os aquecedores de água são equipamentos que tem como objetivo fornecer água
quente suficiente para todos os pontos de consumo, na temperatura e vazão desejada,
conforme projeto específico. Os projetos de sistemas de aquecimento de água devem
atender aos mecanismos para o melhor desempenho de seus aquecedores, a otimização de
recursos energéticos e dos custos de operação, devendo ser compatíveis com a infra-
estrutura da edificação e demandas necessárias ao usuário.
4.2.1 AQUECIMENTO A GÁS
O aquecedor é o elemento principal deste sistema e pode ser dividido em
aquecedores instantâneos (ou de passagem), e aquecedores de acumulação. Possuem a
capacidade de atender exclusivamente uma unidade autônoma (sistemas individuais ou
centrais privados - independentemente dos pontos de consumo e do número de usuários,
abastecem apenas uma residência), ou o abastecimento de um conjunto de unidades
autônomas (sistemas centrais coletivos - atendem várias residências simultâneamente). A
Figura 6 esquematiza os sistemas de aquecimento em uma residência. (RAIMO, 2007)
Portanto, em função das características do aquecedor e do serviço de água quente,
pode-se ter várias alternativas para o aquecimento de água. Os sistemas se diferenciam
essencialmente:
No circuito de distribuição de água quente;
Nos componentes de vazão de água e potências dos aquecedores;
No armazenamento da água quente.
23
Figura 6 - Configurações dos sistemas de aquecimento elétrico, gás e solar.
Fonte: RAIMO, 2007
4.2.1.1 AQUECEDORES DE PASSAGEM
A facilidade de implantação e a necessidade de pouco espaço a ser ocupado fizeram
dos aquecedores iinstantâneos, ou de passagem, a alternativa mais conveniente nas
residências. Dentre outras alterntaivas estão na facilidade em individualização da conta de
gás combustível e a opção do construtor em transferir para o usuário a responsabilidade na
aquisição do equipamento.
Os aquecedores instantâneos ou de passagem são aparelhos que funcionam para
atender um consumo imediato, apenas a demanda no instante da solicitação. No momento
em que é solicitada água quente em um ponto de consumo, ocorre o acionamento do
aparelho. A água, passa por uma serpentina, e é aquecida por meio do calor gerado pelo
queimador localizado na parte de baixo do aparelho. O acionamento do queimador nos
24
aquecedores é feito por meio da ignição provocada por uma pilha, ou por uma fonte de
energia elétrica, permitindo que o sistema mantenha o consumo de gás racionalizado,
utilizando somente quando necessário. O aquecedor também é constituído por um sistema
de controle de fluxo e segurança, que faz o acionamento e o bloqueio de água e gás, e um
sistema de exaustão, responsável pela saída dos gases queimados para uma chaminé,
dispositivo este que deve estar interligado com o ambiente externo da residência.
(CHAGURI, 2009)
Para o seu dimensionamento deve-se levar em conta o número de pontos de
consumo que serão atendidos para que se possa determinar a capacidade do aquecedor e
quantos desses pontos serão atendidos simultaneamente. Este equipamento se comparado
com os sistemas de acumulação, possuem certas limitações físicas em função da relação
vazão instantânea de água que passa pelo aparelho, da potência e da temperatura. Assim,
para um bom rendimento do aparelho é aconselhável manter pequena a distância do
aquecedor ao ponto de consumo, evitando perdas de temperatura, e consequentemente,
otimizando o rendimento do equipamento. A seguir, a Figura 7 ilustra o funcionamento dos
aquecedores de passagem. (CHAGURI, 2009)
4.2.1.2 AQUECEDORES DE ACUMULAÇÃO
Os aquecedores de acumulação são aparelhos com a característica de manter a
água aquecida e reservada para a utilização nos horários de maior consumo na residência.
Figura 7 - Esquema de funcionamento dos aquecedores a gás instantâneo ou de passagem. – Fonte: CHAGURI, 2009
25
São constituídos por uma unidade de aquecimento, acessórios e um reservatório com
capacidade para abastecer vários pontos de consumo ao mesmo tempo. (BORGES, 2009)
A água entra pela parte de baixo do reservatório e é aquecida através de um
queimador localizado na parte inferior, e o seu acionamento é controlado através de um
termostato de acordo com a variação de temperatura. Na parte superior do reservatório há
uma saída para a água quente a qual é distribuída para os pontos de consumo. A Figura 8
ilustra o interior do reservatório. (BORGES, 2009)
As válvulas de segurança, o sifão e as válvulas eliminadoras de ar são alguns dos
dispositivos e acessórios instalados no reservatório com o objetivo de garantir o bom
funcionamento do sistema. Destaque para a válvula de segurança, a qual protege o
reservatório no caso de uma sobrepressão acima da permitida pelo sistema, ou seja, ela
evita danos ao equipamento quando ocorre uma desregulagem na pressão da rede de água
fria, ou devido à expansão da água durante o processo de aquecimento do reservatório.
(BORGES, 2009)
Os aquecedores de acumulação possuem algumas vantagens em relação aos
aquecedores de passagem como a possibilidade de atender vários pontos simultaneamente
sem restrições dentro da capacidade de armazenamento e não ocasionar oscilações de
temperatura, pois estes equipamentos são isolados termicamente, na maioria dos casos
com lã de vidro ou o poliuretano expandido, afim de reduzirem as perdas térmicas com o
ambiente. (RAIMO, 2007)
26
4.2.2 SISTEMA SOLAR
O sistema solar de aquecimento é formado por um conjunto de coletores que captam
a energia irradiada pelo sol, aquecendo a água. O coletor solar é um dispositivo que absorve
a maior quantidade possível de irradiação solar e transfere a maior parte dessa energia para
um determinado fluído, no caso, a água, que circula por uma serpentina e quando aquecida
é armazenada em um reservatório de consumo. Quanto maior o a intensidade de luz, maior
o fluxo de energia, porém, este sistema não precisa necessariamente do brilho do sol para
operar, pois ele pode também gerar energia em dias nublados. (RAIMO, 2007)
Os coletores utilizados são normalmente selecionados em função de sua aplicação e
devem ser resistentes às condições exteriores (intempéries, condições metereológicas, etc.)
e eficientes na conversão da energia para a demanda de consumo. O mais utilizado no setor
residencial é o coletor plano com cobertura. O fluxo de radiação incidente é uniforme para
toda a sua superfície coletora, aquecendo a água a temperaturas compatíveis ao uso
sanitário e demais aplicações em uma residência. (COMGÁS, 2011)
A Figura 9, a seguir, ilustra o esquema de um aquecedor de placa plano.
Figura 8 - Imagem interna do reservatório de um aquecedor de acumulação. Fonte: BORGES, 2008
27
4.2.2.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO DOS COLETORES
As instalações solares necessitam ser corretamente dimensionadas, instaladas e ter
manutenções regulares para que o sistema seja eficiente. O posicionamento correto do
conjunto de coletores solares é essencial para o perfeito desempenho do sistema. A
inclinação em relação ao plano horizontal e a direção de instalação dos coletores solares
variam em função dos parâmetros metereológicos e geográficos do lugar onde os coletores
se encontram localizados, tais como latitude local e número de horas diárias de insolação.
(COMGÁS, 2011)
Os coletores devem estar expostos ao sol de tal forma que a incidência da radiação
solar atinja o coletor perpendicularmente. E como há uma variação da inclinação do sol,
conforme a época do ano, eles devem ser instalados com uma inclinação que maximize e
uniformize a incidência da radiação solar durante o período de um ano. A recomendação é a
de que a instalação possua uma inclinação equivalente à latitude da região onde será
instalado o sistema solar, somando-se 10º. (COMGÁS, 2011)
Além disso, os coletores devem estar posicionados simetricamente em relação à
trajetória do sol, posição esta que permita o maior tempo de incidência do sol ao longo do
dia. Quando instalados no Hemisfério Sul, como no caso do Brasil, os coletores devem ser
direcionados para o Norte Geográfico, para haja um maior aproveitamento da irradiação. A
Figura 10, a seguir, exemplifica as diretrizes a serem seguidas para uma correta instalação.
(COMGÁS, 2011)
Figura 9 - Esquema aquecedor solar de placa plano. – Fonte: COMGÁS, 2011
28
4.3 SISTEMAS PREDIAIS DE ÁGUA QUENTE
Devido aos processos naturais de transferência de calor, na distribuição de água
ocorrem perdas térmicas da água quente com o ambiente, por meio da condução de calor
nas paredes da tubulação entre a água quente e o ambiente. Assim, deve-se analisar as
perdas de calor nas instalações, em função dos materiais utilizados, das técnicas de
isolamento térmico recomendadas, na temperatura da água com a qual a instalação deve
funcionar adequadamente.
O circuito de distribuição de água quente compreende basicamente em tubulações,
conexões, registros gaveta, registros de pressão e devem atender aos quesitos de vazão,
pressão e velocidade da água conforme aos pontos de consumo. Os materiais utilizados
para a condução da água quente devem resistir a temperaturas altas, compatíveis com as
temperaturas de saída dos aquecedores de água. Os materiais mais utilizados para as
tubulações são o cobre e o CPVC (polipropileno copolímero clorado). O cobre por ser o
melhor condutor térmico dentre as opções oferecidas pelo mercado, será o adotado nas
tubulações.
Figura 10 - Trajetória do sol e desvio do Norte geográfico. – Fonte: COMGÁS, 2011
29
Os reservatórios, responsáveis pelo armazenamento e fornecimento de água para os
sistemas de aquecimento, devem ser analisados e selecionados em função das
características do sistema de aquecimento e do local da instalação. O volume dos
reservatórios é uma das principais configurações a serem determinadas, e deve ser
calculado em função da necessidade de água quente que deve estar disponível para uso da
edificação, ou seja, em função da quantidade de pessoas residentes, como por exemplo 160
a 200 litros para 1 a 2 pessoas, 300 a 370 litros para 3 ou 4 pessoas e 440 litros nos casos
de 5 a 6 pessoas (COMGÁS, 2011).
No caso de armazenamento de água quente, esta deve ser armazenada em
reservatórios térmicos, permitindo sua disponibilização em função da real necessidade dos
usários. Como eles armazenam água quente por longos períodos, devem possuir
isolamento térmico para reduzir a troca de calor entre a água quente armazenada e o
ambiente.
30
5. ESTUDO DE CASO
Para avaliação das possibilidades do uso de energias alternativas nas edificações,
com base no levantamento de informações feito na revisão bibliográfica, foi feito um estudo
sobre as características do uso dessas energias e suas implicações sobre um edifício já
existente para facilitar as medições, análise de projetos e coleta de dados.
5.1 DESCRIÇÃO DO EDIFÍCIO ESTUDO DE CASO
Trata-se de um edifício residencial, situado na cidade de São Carlos, construído há
14 anos pelo escritório Ivo Nicoletti, o qual oferece diversos serviços na área de engenharia
civil e arquitetura, possuindo endereço fixo na cidade.
O empreendimento está localizado na Rua Miguel Petroni, 458, Jardim Bandeirantes.
Possui quatro pavimentos com dois apartamentos por andar, distribuídos em um terreno
com área total de 148,36 m². Os apartamentos possuem um quarto, um banheiro, uma sala
e uma cozinha com área de serviço acoplada. Devido a sua localização, o prédio possui
duas entradas principais, porém, em lados opostos.
As características do edifício em estudo, com respectivas áreas e localização estão
no ANEXO deste trabalho.
5.2 LEVANTAMENTO DO USO DE APARELHOS NAS UNIDADES
Para ajudar na análise e escolha das modalidades de energia e equipamentos a
serem utilizados no edifício foi feito um questionário voltado para os moradores do edifício a
fim de que estes respondessem sobre os gastos energéticos nos respectivos apartamentos
e o funcionamento das instalações. O questionário será do tipo com questões abertas e com
perguntas chaves para o projeto, as quais são exemplificadas a seguir:
- qual o gasto energético mensal do apartamento?
- qual a potência do chuveiro instalado no apartamento?
- qual a quantidade de lâmpadas instaladas em uso e suas respectivas potências?
- qual o horário de permanência no apartamento?
- se possível informar o horário e duração do banho;
31
- se possível fornecer uma cópia recente da conta de energia;
Com esse estudo de caso, foi possível verificar as características mais adequadas à
aplicação dos equipamentos necessários para a geração de energia e água quente assim
como as adaptações necessárias para a sua adoção, promovendo uma discussão e análise
de custos envolvidos.
A infraestrutura necessária para o aquecimento de água é determinada pela energia
final da alternativa do sistema de água quente e da demanda, ou seja, do número de pontos
de uso na unidade consumidora.
Em edificações residenciais, os diferentes níveis de consumo de água quente estão
relacionados com o número de pessoas e com o número de pontos de uso, parâmetros
estes que podem ser estimados, através do número de dormitórios e de banheiros. O
número de pontos de uso de água quente é definido pela infra-estrutura da edificação. Um
morador aciona o sistema de água quente no momento e na intensidade correspondentes a
sua necessidade, hábito pessoal e estilo de vida.
Assim, para ajudar na análise e escolha das modalidades de energia e equipamentos
a serem utilizados no edifício, foi feito um questionário voltado para os moradores do edifício
a fim de colher dados sobre os gastos energéticos nos respectivos apartamentos e o
funcionamento das instalações. O questionário foi aplicado em junho de 2011
A seguir estão apresentadas as perguntas feitas aos moradores, e a Tabela 5, com
os dados coletados com seis dos oito moradores do edifício.
1) Número de lâmpadas em uso e suas respectivas potências;
2) A potência do chuveiro instalado no apartamento;
3) Tempo médio de permanência no banho; e horário comum de banho (manhã
e/ou tarde);
4) Número de eletrodomésticos em uso;
5) Horário de maior permanência no apartamento (manhã/tarde/noite);
32
Tabela 5 - Dados do questionário aplicado aos moradores do objeto de estudo.
DADOS COLETADOS A B C D E F G* H*
LÂMPADA FLUORESCENTE
Potência: 15W - 5 - 3 5 - - -
Potência: 20W 2 2 2 2 2 2 - -
LÂMPADA INCANDESCENTE
Potência: 60W 2 - 2 - - 3 - -
Potência: 100W 3 1 2 1 - 2 - -
CHUVEIRO ELÉTRICO
5500W e 127V 1 1 1 1 1 1 - -
TEMPO MÉDIO DE PERMANÊNCIA NO BANHO
/ PERÍODO
15 min. / noite
10 min. /
manhã e noite
10 min. /
manhã e noite
10 min. / noite
10 min. / noite
15 min. / noite
- -
NÚMERO DE ELETRODOMÉSTICOS EM
USO 4 5 4 5 8 4 - -
HORÁRIO DE MAIOR PERMANÊNCIA NO APTO.
noite manhã manhã / tarde / noite
noite noite noite - -
*Não responderam ao questionário.
O questionário foi aplicado em junho de 2001 e deste, para efeito da identificação da energia gasta para o aquecimento, foram utilizados o tempo médio, frequências e potência do chuveiro.
33
6. DIMENSIONAMENTO DAS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA
6.1 CONSUMO DE ÁGUA QUENTE
Neste estudo, o ponto de consumo de água quente em análise é o do chuveiro
elétrico. A Tabela 6, a seguir, apresenta a frequência e o tempo médio de banho obtido nas
respostas do questionário, realizado em junho de 2011. Os valores obtidos foram utilizados
no cálculo da vazão por banho, e posteriormente, o cálculo de energia gasta por banho.
Tabela 6 - Frequência média de banho e tempo médio de banho para seis moradores.
APARTAMENTO MÉDIA
(por banho)
FREQUÊNCIA DE BANHOS
1,3
TEMPO (min.) 11,7
A energia que o chuveiro elétrico necessita para aquecer a água pode ser expressa
da seguinte forma:
Q = P x t x Ckcal
Q = Produção de energia (kcal)
P = Potência do chuveiro elétrico (W)
Ckcal = 0,00024 kcal/s (fator de conversão)
Para o chuveiro elétrico com potência de 5500W, instalado em cada um dos
apartamentos,a energia consumida é:
Q = 5500 x 60 x 0,00024 = 79,2kcal
O tempo médio de banho foi 11,6 minutos por pessoa, assim, a energia necessária
para aquecer a água gasta em um banho é:
QBANHO = 79,2kcal x 11,6min = 918,72kcal (11,6 minutos)
34
A partir dessa energia produzida, considerando a temperatura da água fria em 20ºc e
admitindo vazão do chuveiro elétrico de 3L/min, com potência máxima do chuveiro elétrico
(5500W), pode-se determinar a temperatura que a água aquecida chega em um banho,
utilizando-se a seguinte equação:
Q = m x C x (t2 – t1)
Q = Produção de energia (kcal)
m = Vazão do chuveiro elétrico (L/min)
C = 1 cal/(Kg/ºC)
A temperatura máxima atingida pela água considerando-se 79,2kcal é:
79,2 = 3 x 1 x (t2 – 20) -> t2 = 46,4ºC
Admitindo uma temperatura máxima da água para banho de 40ºC, e substituindo na
equação, tem-se vazão do chuveiro elétrico para um banho com tempo médio de 11,6min
igual a:
79,2 = QREAL x 1 x (40 – 20) -> QREAL = 4L/min
Assim, a energia gasta em um banho com uma vazão de 4L/min será de 1,067kWh,
admitindo que 1kWh = 86042kcal.
A tarifa energética obtida na Companhia Paulista de Luz e Força de São Paulo
(CPFL, 2011) em novembro de 2011, para fornecimento de energia elétrica para o grupo “B1
Residencial - Monofásico”, é de um preço médio de 0,34432432 R$/kWh sem ICMS, e
portanto, o custo de um banho é de aproximadamente R$ 0,37.
6.2 CONSUMO ENERGÉTICO DO EDIFÍCIO
A energia consumida pelo edifício foi obtida através do questionário realizado com os
moradores e contas energéticas do edifício. Para os cálculos alguns parâmetros foram
estabelecidos:
A tarifa para fornecimento de energia elétrica pela CPFL, para o grupo “B1
Residencial - Monofásico”, é de um preço médio de 0,34432432 R$/kWh;
(CPFL, 2011)
O tempo diário de uso (horas), a quantidade de equipamentos em uso e a
permanência no apartamento foram estabelecidos de acordo com a pesquisa
realizada e os dados coletados;
35
O gasto energético do edifício foi obtido através da conta de gastos do
condomínio apresentada mensalmente.
A Tabela 7 apresenta, aproximadamente, os gastos energéticos totais do edíficio em
estudo, e a Tabela 8, os gastos aproximados de um apartamento, relacionando-os com o
custo energético obtido na Companhia Paulista de Luz e Força de São Paulo (CPFL).
Tabela 7 – Consumo energético do edifício e a somatório de custos.
Equipamento Quantidade Tempo diário de
uso (horas) Potência (Watts)
Energia em kWh/mês
Custo
Lâmpada Fluorescente
13 4 15 23,40 R$ 8,06
12 4 20 28,80 R$ 9,92
Lâmpada Incandescente
7 4 60 50,40 R$ 17,35
9 4 100 108 R$ 37,19
Chuveiro Elétrico
8 2,01 5500 331,76 R$ 114,23
Televisor 8 4 100 96 R$ 33,06
Computador 8 4 90 86,4 R$ 29,75
Geladeira 8 6 100 144 R$ 49,58
Microondas 3 0,25 900 20,25 R$ 6,97
Máq. Lavar Roupas
3 0,23 1500 31,50 R$ 10,85
Gastos do edifício
- - - 50 R$ 17,22
∑ = 32,49 8385 970,51 R$ 316,95
36
Tabela 8 - Consumo energético de um apartamento e a somatório de custos.
Equipamento Quantidade Tempo diário de
uso (horas) Potência (Watts)
Energia em kWh/mês
Custo
Lâmpada Fluorescente
2,17 1 15 0,975 R$ 0,34
2 1 20 1,2 R$ 0,41
Lâmpada Incandescente
1,17 1 60 2,1 R$ 0,72
1,5 1 100 4,5 R$ 1,55
Chuveiro Elétrico
1 0,25 5500 41,47 R$ 14,28
Televisor 1 2 100 6 R$ 2,07
Computador 1 4 90 10,8 R$ 3,72
Geladeira 1 6 100 18 R$ 6,20
Microondas 0,5 0,25 900 3,38 R$ 1,16
Máq. Lavar Roupas
0,5 0,23 1500 5,25 R$ 1,81
∑ = 16,73 8385 93,67 R$ 32,25
6.1 DIMENSIONAMENTO DO AQUECEDOR A GÁS
O Gás Natural, utilizado nos sistemas de aquecimento de água, possui um elevado
rendimento térmico, combustão completa e sem geração de resíduos. No estudo de caso,
foi utilizado o aquecedor de passagem, e este abastece apenas um ponto, o chuveiro.
Optou-se pelo aquecedor de passagem por possuir maior facilidade de implantação e
necessitar de pouco espaço a ser ocupado.
O estudo de caso é um apartamento de 40,00 m² com medição de energia elétrica
individualizada. O sistema de aquecimento a ser utilizado será o individual devido às
dimensões do apartamento e por apresentar apenas um ponto de consumo, necessitando
apenas de uma infraestrutura de alimentação de água fria para o aquecedor, que pode ser
37
uma derivação de um ponto de consumo de água fria, e de uma da rede de abastecimento
de gás.
Para a instalação correta do sistema de aquecimento a gás, alguns cuidados devem
ser tomados, como a fixação do equipamento em lugares ventilados. As diretrizes devem
seguir a norma NBR 13103 a qual afirma que o ambiente onde será instalado o
equipamento deve possuir aberturas permanentes na parede comunicando com o exterior e
caso seja necessário, a instalação de um duto de ventilação individual ou coletivo
ramificado.
Assim, o aquecedor de passagem está localizado na cozinha, local próximo ao
banheiro, diminuindo consideravelmente as perdas térmicas pela tubulação, devido à
proximidade ao ponto de consumo, e por ser um local com ventilação permanente e de fácil
instalação para a chaminé, responsável pela saída dos gases queimados para o exterior do
apartamento.
Para o dimensionamento do aquecedor de passagem a vazão utilizada foi
aproximadamente a metade utilizada pelo chuveiro elétrico, determinada da seguinte
maneira:
qaq = QUSO X [(t3 – t2) / (t1 – t2)]
Assim,
qaq = 4 x [(40 – 20) / (70 – 20)] = 1,6L/min ≈ 2L/min
Admitindo que a temperatura máxima atingida pelo aquecedor seja de 70ºC, a
temperatura de uso seja 40ºC e a água fria seja de 20ºC, tem-se duas potências, a de
operação e a máxima do aquecedor, determinadas da seguinte maneira:
U = 60 x (t1 – t2) x qaq
A potência requerida pelo aquecedor na vazão de operação será de 80kcal e na
vazão máxima será de 135kcal. A potência na vazão máxima (135kcal) será a utilizada para
a escolha do aquecedor de passagem. O aquecedor da marca LORENZETTI de 7,5L/min
atende a potência requerida e a vazão necessária e possui um preço médio no mercado de
R$269,00. (LORENZETTI, 2011)
A seguir, a Tabela 9 apresenta os dados técnicos do aquecedor.
38
Tabela 9 - Características técnicas dos aquecedores.
Características técnicas AQUECEDOR
Potência nominal nas condições padrão (kcal/min)
176,00
Rendimento (%) 83,70
Vazão para elevação da temperatura em 20°C (litros/min.)
7,50
Consumo máximo a potência plena (m³/h)
1,11
Dimensões (mm) 440x300x135
Custo (R$) 28,90
De acordo com as tarifas de gás natural canalizado, estipulada pela Gás Brasiliano
Distribuidora S.A. em novembro de 2011, responsável pela distribuição de gás natural
canalizado na cidade de São Carlos, alguns parâmetros foram estabelecidos para o cálculo
de volume de gás necessário. (GÁS BRASILIANO, 2011)
A tarifa do gás natural canalizado para o segmento residencial com medição
coletiva, para um volume previsto entre 0 a 150 m³ sem ICMS, para valor fixo
é de 59,65 R$/mês e para valor variável é de 1,992091 R$/m³;
A tarifa do gás natural canalizado para o segmento residencial com medição
individual, para um volume previsto entre 0 a 5 m³ sem ICMS, para valor fixo
é de 14,35 R$/mês e para valor variável é isento;
O poder calorífico do gás natural é de 10,932 kWh/m³ à uma temperatura de
20ºC e pressão de 1 atm;
A fórmula utilizada no cálculo do custo envolvido é
39
I = F + (CM x V)
F = valor do encargo fixo
CM = consumo mensal medido em m³
V = valor do encargo variável
Para o cálculo do consumo e custo de gás no edifício, utilizando o aquecedor
instantâneo com consumo máximo, a potência plena, de 1,11m³/h e medição individual, tem-
se:
1) O consumo máximo de gás natural a potência plena é de 1,11m³/h; com 11,6
minutos de funcionamento, obtem-se um consumo de gás equivalente a
0,2146m³ por banho;
2) A potência nominal de 176kcal/min consome-se 0,2146m³, porém deseja-se o
consumo na potência de operação de 80kcal/min, assim, o consumo real de gás
natural é 0,0975m³ por banho.
A partir dos valores fornecidos pela Gás Brasiliano, e utilizando a fórmula I = F + (CM
x V), chega-se a um custo por mês em gás natural para o aquecimento de água na medição
individual e coletiva. A seguir, a Tabela 10 mostra o resultado dos cálculos, com um ponto
de consumo para a medição coletiva e para medição individualizada, respectivamente.
Tabela 10 - Custo mensal de gás com um ponto de consumo, para medição coletiva e individual.
MEDIÇÃO Volume de gás
(m³/mês) Valor fixo (R$/mês)
Valor variável (R$/m³)
Custo (R$ - Sem ICMS)
COLETIVA 23,40 59,65 1,99 106,22
INDIVIDUAL 2,93 14,35 - 114,80
O chuveiro elétrico têm como uma de suas vantagens, o menor consumo de água,
comparado aos aquecedores a gás que utilizam um volume maior devido ao tempo que
necessitam para aquecer a água. Porém, os aquecedores possuem a vantagem econômica
perante os chuveiros elétricos, e ela foi expressa neste estudo, pois enquanto com o
chuveiro elétrico gasta-se R$ 397,69 mensalmente, com um aquecedor a gás, esse valor cai
para R$ 120,24. Em um edifício, este valor expressa economia nas contas no final do mês, e
ambientalmente, racionalização de energia.
40
6.2 DIMENSIONAMENTO ENERGIA SOLAR
A utilização da energia solar no objeto de estudo, prédio residencial de quatro
pavimentos, visa promover o uso de uma energia alternativa economicamente viável e
ambientalmente limpa.
Para o correto aproveitamento da energia solar deve-se atentar a sua captação, a
conversão de calor, a transferência e o armazenamento para utilização nos períodos em que
a mesma não se encontra disponível. Como a energia solar está presente só durante o dia,
este sistema deve ter sua capacidade de armazenamento ampliada para evitar o
acionamento desnecessário do auxiliar elétrico, e assim, reduzindo as vantagens
econômicas oferecidas pelo sistema de aquecimento solar. A Figura 11 representa um
esquema simplificado da instalação de um sistema de aquecimento a energia solar.
Os coletores devem ser dimensionados de acordo com as condições metereológicas
do local de instalação. Os coletores de menor eficiência podem apresentar custos mais
baixos e acessíveis. Se houver disponibilidade de espaço, pode-se optar por instalar uma
maior área de coletores com menor eficiência para aquecer a mesma quantidade de água.
Para início de dimensionamento, deve-se determinar o volume necessário de água
quente para a escolha do reservatório. O valor utilizado para a vazão real é a mesma do
aquecimento a gás, 4 litros/min. O volume para consumo é obtido da seguinte forma:
Figura 11 - Esquema de instalação de aquecimento solar. – Fonte: BORGES, 2008
41
VCONSUMO = 4 x 11,6 x 1,3 x 8 = 482,56 litros
Com um volume de água aquecida de 482,56 litros, o Reservatório Solar Vitrex da
marca CUMULLUS com capacidade de 500 litros atende a demanda de água quente. O
reservatório possui um diâmetro de 730mm e comprimento de 1800mm, e possui um preço
médio no mercado de R$ 1.670,00. A torre de reservatório do edifício estudo de caso possui
7,3m² com reservatórios já instalados. Uma análise antes da instalação deve ser feita pois o
reservatório solar possui uma área de 1,31m², o que exigiria uma realocação dos
reservatórios já instalados.
Para determinar o modelo de coletor solar a ser utilizado neste estudo, deve-se
calcular a energia para aquecer a água no mês. Para um gasto de 1,067kWh por banho,
tem-se:
Q = 1,067 x 8 x 1,3 x 30 = 332,90kWh/mês
O coletor solar da marca CUMULLUS, com uma produção média mensal de energia
de 169,8kWh/mês. Foi escolhido para compor o sistema de aquecimento de água com
coletor solar térmico.
A seguir, a Tabela 11 apresenta alguns dados técnicos e custo do coletor solar
utilizado no estudo. O custo envolvido é baseado apenas na aquisição do equipamento, sem
englobar serviços de mão de obra, acessórios de montagem e transporte dos equipamentos
até o local.
Tabela 11 - Características técnicas dos coletores e custo do equipamento.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Área externa do coletor (m²) 1,95
Eficiência (%) 62,4
Produção média mensal de energia
(kWh/mês) 169,8
VALOR
Custo coletor(R$) (unidade) 980,6
Custo reservatório(R$)
(unidade) 1.670,00
Os coletores em estudo são os de baixa pressão e instalados em locais expostos na
cobertura da edificação. A radiação solar para São Carlos é de aproximadamente 6
kWh.dia/m², o que satisfaz a irradiação necessária absorvida pelo coletor para a geração de
energia térmica. (CRESESB, 2011)
42
Para o cálculo do número de coletores necessários, alguns parâmetros foram
estabelecidos, de acordo com as características técnicas fornecidas pelos catálogos dos
coletores solares. Com produção média mensal de energia de 169,8 kWh/mês, tem-se:
1) Área dos coletores = Demanda energética (kWh/mês) / Produção específica de
energia do coletor solar (kWh/mês).
Área dos coletores 28,169
90,332 m²
O coletor solar possui área externa de 1,95 m², e segundo o cálculo de área, é
necessário apenas um coletor para atender a demanda energética de 332,90kWh/mês
gastos no aquecimento de água do edifício.
Os coletores devem estar expostos ao sol de tal forma que a incidência da radiação
solar atinja o coletor perpendicularmente, instalados com uma inclinação que maximize e
uniformize a incidência da radiação solar durante o período de um ano, e orientados na
direção do norte geográfico da Terra.
O aquecimento solar necessita de um investimento incial alto, comparado ao
aquecimento a gás, para a aquisição do sistema. Os coletores solares e reservatório solar
são equipamentos mais caros que os aquecedores instantâneos a gás. Assim, para que o
investimento neste sistema de aquecimento possa ser analisado, deve-se estudar o tempo
de retorno que o equipamento escolhido fornecerá.
Segundo Raimo (2007), o tempo de retorno do investimento do sistema de
aquecimento solar é função da eficiência média do coletor (η), na conversão da radiação
solar em calor e do consumo evitado de energia final, eletricidade ou gás (taxa de cobertura
solar). A Figura 12 abaixo, mostra o tempo de retorno do investimento do coletor solar, com
energia final auxiliar elétrica, com uma taxa de juros de 12% ao ano. Para esta comparação
utilizou-se a radiação média de 4.000, 5.000 e 6.000 Wh/m² e o produto da eficiência e taxa
de cobertura solar (η x TCS).
43
Para o cálculo do tempo de retorno do coletor solar utilizado, a partir do gráfico, tem-
se:
1) No estudo, a radiação média em São Carlos é de 6kWh.dia/m², e segundo dados
do catálogo, para o coletor solar, a produção média mensal de energia é de
87,1kWh.mês/m²;
2) Tempo de retorno = Radiação solar média (kWh.mês/m²) / Produção média
mensal de energia (kWh.dia/m²).
3) Tempo de retorno anosx
x2
)12(1,87
)365(6
Assim, para este modelo de coletor solar, o tempo de retorno do investimento será
de 2 anos.
Através do gráfico pode-se perceber que quanto maior a relação eficiência e taxa de
cobertura solar (η x TCS) o tempo de retorno do investimento será menor. O coletor solar
utilizado no estudo possui uma eficiência alta, o que o torna viável para o sistema de
aquecimento de água no edifício. Porém, nesta situação deve-se analisar a aquisição do
equipamento em termos de custo, pois para um edifício de pequeno porte, com
apartamentos de um dormitório e com um coletor de menor eficiência, o tempo de retorno do
investimento será maior. O sistema de aquecimento solar racionaliza energia, porém, neste
caso, deve-se fazer uma análise de viabilidade do investimento.
Figura 12 - Tempo de retorno do investimento no coletor solar. Fonte: RAIMO, 2007
44
6.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os sistemas possuem características próprias que devem ser ressaltadas na escolha
do melhor equipamento a ser instalado. Assim, para uma análise de viabilidade mais
detalhada, a Tabela 12, a seguir, apresenta um resumo dos equipamentos utilizados no
estudo considerando o custo acumulado no primeiro ano, onde o valor de compra foi
amortizado em 12 meses, e depois considerado apenas o custo mensal.
Tabela 12 - Resumo das características e custos dos equipamentos utilizados no edifício.
SISTEMA DE AQUECIMENTO
EQUIPAMENTO POTÊNCIA CARACTERÍSTICAS
TÉCNICAS CUSTO DO
EQUIPAMENTO*
CONTA DE ENERGIA MENSAL TOTAL
GASTOS EM 1
ANO** TOTAL
ENERGIA ELÉTRICA
chuveiro elétrico
5500W rede de água fria R$ 231,20 R$ 397,69 R$ 5003,48
GÁS NATURAL aquecedor de
passagem 176kcal/min
rede de água fria + rede de água quente
+ rede de gás R$ 2159,00 R$ 120,24 R$ 3601,88
ENERGIA SOLAR
coletor solar + reservatório
solar 169,8kWh/mês
rede de água fria + rede de água quente
R$ 2.650,60 - R$ 2950,00
*Custo dos equipamentos foram definidos no dimensionamento do estudo de caso;
**No caso do coletor solar, preve-se duas limpezas ao ano das placas solares ao custo de R$150 por limpeza.
A energia elétrica possui a característica de economizar na vazão de água, porém
possui o maior gasto mensal por morador dentre as demais fontes. O chuveiro elétrico é
barato e fácil de adquirir, o que torna o sistema o mais utilizado atualmente nas residências
brasileiras.
O aquecedor de passagem a gás possui um valor maior de aquisição, quando
comparado ao chuveiro elétrico e também possui um gasto, o qual não entrou no
dimensionamento do equipamento, das intalações hidráulicas para água quente e possíveis
reformas no edifício. Porém, apresenta menor custo mensal e um valor menor em relação
aos gastos em um ano quando comparado a energia elétrica, sendo o segundo sistema
indicado no estudo.
A energia solar possui a característica de minimizar o gasto energético após a
quitação da compra dos equipamentos, pois o usuário irá pagar apenas pelos demais gastos
energéticos da residência. A instalação deve ser previamente analisada para que não
45
ocorram problemas na instalação do reservatório solar e para que o telhado tenha uma
inclinação favorável à instalação dos coletores. Apresenta o menor gasto ao final de um ano,
e isento de custos mensais, o que torna esse sistema o mais recomendado para o objeto de
estudo.
A Figura 13, a seguir, apresenta a evolução dos gastos acumulados em dois anos
dos sistemas analisados.
Como se pode observar na Figura 13, apesar do chuveiro ter um custo inicial muitas
vezes menor que os sistemas a gás e solar, decorrido um pouco mais de oito meses o custo
acumulado do chuveiro supera os dos sistemas à gás e solar, de modo que a longo prazo se
torna bem atrativo o uso de energias alternativas.
Figura 13 - Evolução dos gastos acumulados em dois anos.
46
7. CONCLUSÃO
O dimensionamento da infraestrutura dos sistemas de aquecimento de água pelas
energias analternativas solar e a gás, foi feito a partir de estudos de demanda e de análise
comportamental dos usuários do edifício em estudo. Para isso uma pesquisa de campo foi
feita e obtiveram-se dados do consumo energético, os quais foram convertidos em custos
para a aquisição de novas formas de energia para o aquecimento de água.
O custo total do serviço de aquecimento em função do nível de consumo de água
aquecida mostrou um alto impacto no custo de investimento para a instalação dos sistemas
quando se é utilizado pequenos volumes no edifício. À medida que o nível de consumo
aumenta, o custo de investimento da energia passa a ser mais significativo, ou seja, para
um número maior de apartamentos, o resultado seria mais satisfatório.
A utilização do sistema a gás como fonte de calor para o serviço de aquecimento de
água em edificações mostrou-se com menor custo, quando comparado a energia elétrica e a
solar. O sistema atende o volume de água necessário a ser aquecido a um custo bem
menor do que o requerido pela energia elétrica, o que torna o gás natural viável
economicamente. No objeto de estudo, o uso do sistema de aquecimento a gás diminuirá os
gastos energéticos, racionalizando energia e diminuindo o custo da conta de energia do
usuário.
O sistema de aquecimento solar mostrou-se como uma alternativa de energia menos
acessível do que o gás natural, pois o custo do equipamento ainda é alto para torná-lo
acessível a todas as classes sociais, principalmente no caso do objeto de estudo, um
edíficio com apartamentos para alugar. Para se adquirir coletores solares, necessita-se de
um investimento alto no início, e o retorno do investimento vem ao longo dos anos, e
posteriormente, a economia na conta de energia, tendo como gastos mensais, além dos
demais gatos energéticos da residência, a mão-de-obra na limpeza das placas solares.
Assim, a energia solar é a primeira opção a ser instalada no edifício devido a
viabilidade econômica mais atrativa por possuir um menor gasto em um ano e isenta de
custos mensais. Assim, recomenda-se a instalação do aquecimento solar, com base nos
dados mostrados no estudo.
47
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48
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Grande, 2006.
51
ANEXO Características das tipologias adotadas.
Desenhos sem escala.
Figura 1.A - Planta Baixa Pavimento Térreo
52
Figura 2.A - Planta Baixa Pavimento Tipo
53
Figura 14.A - Planta Cobertura
54
Figura 4.A - Corte AA
55
Figura 5.A - Corte BB