tese -análise energética de sistemas de aquecimento de Água com energia solar e gás
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MINISTRIO DA EDUCAO E DO DESPORTO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
ANLISE ENERGTICA DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE GUA COM
ENERGIA SOLAR E GS
por
Jean-Marc Stephane Lafay
Tese de Doutorado
Porto Alegre, junho de 2005
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ANLISE ENERGTICA DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE GUA COM
ENERGIA SOLAR E GS
por
Jean-Marc Stephane Lafay
Mestre em Engenharia
Tese submetida ao Corpo Docente do Programa de Ps-Graduao em Engenharia
Mecnica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do
Sul, como parte dos requisitos necessrios para a obteno do Ttulo de
Doutor em Engenharia
rea de concentrao: Energia
Orientador: Prof. Dr. Arno Krenzinger
Banca examinadora:
Prof. Dr. Paulo Otto Beyer
Prof. Dr. Pio Caetano Lobo
Prof. Dr. Mario Henrique Macagnan
Prof. Dr. Flvio Lorini
Coordenador do PROMEC
Porto Alegre, junho de 2005.
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A verdadeira medida de um homem no como ele se
comporta em momentos de conforto e convenincia, mas
como ele se mantm em tempos de controvrsia e desafio.
Martin Luther King
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Dedico este Trabalho queles que acreditaram
incondicionalmente em mim desde pequeno, meus queridos
pais, Jean-Pierre e Josette, que me educaram e me fizeram
perseguir meus sonhos. Ao meu amado filho, Jean-Luc, que
me fez querer ser um exemplo ou pelo menos dar de mim o
melhor. minha parceira, Cntia, por me ensinar a arte da
pacincia e do amor. minha filhinha que est para nascer a
qualquer momento.
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AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a este grande pas chamado Brasil, por ter me acolhido e
propiciado a qualidade de vida que usufruo atualmente. Agradeo o Centro Federal de Educao
Tecnolgica, especialmente aos colegas da Coordenao de Eletromecnica que permitiram o
meu afastamento para realizar este trabalho. Agradeo ao CNPq pela bolsa de estudos. Agradeo
as pessoas que trabalham nos bastidores do PROMEC na UFRGS.
Agradeo igualmente ao meu orientador Dr. Arno Krenzinger pela dedicao e
humor com que trabalha e orienta. Ao M. Sc. Csar Wilhelm Massen Prieb um muito obrigado
pelo help prestado ao longo destes quatro anos.
Tambm sou grato ao amigo Airton Cabral de Andrade por me mostrar o que
realmente significa a palavra amizade e ao amigo Daniel Sampaio Figueira por estar sempre um
passo a frente na trilha do doutorado, clareando o caminho a ser percorrido. Sinto-me grato e
satisfeito de ter convivido com os bolsistas e colegas do Laboratrio de Energia Solar, Aguiar,
Batista, Fabio, Felipe (Cubano), Gustavo, Heston, Joaquim, Luis (Argentino), Kell, Medina,
Moiss, Oliboni, Pablo, Patric, Polozine (Russo), Roberto, Rossini, Scain, Steigleder e Wagner,
pela atmosfera de alegria, amizade e respeito que ajudaram a construir.
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RESUMO
Esta Tese apresenta uma anlise do comportamento trmico de um sistema de
aquecimento de gua combinando energia solar e gs como fontes energticas. A nfase desta
anlise est na influncia que a forma de conexo dos coletores solares e do circuito da fonte
auxiliar de energia ao reservatrio exercem sobre a eficincia e o custo de operao do sistema.
O trabalho engloba uma montagem experimental, caracterizao de componentes, validao
experimental de um programa de simulao, anlises de eficincia utilizando o programa e
anlises econmicas com dados simulados.
Na fase experimental desta Tese, foram montados trs sistemas de aquecimento de
gua. Dois sistemas utilizando reservatrios verticais e um sistema utilizando reservatrio
horizontal. Os sistemas foram montados com componentes similares: reservatrios metlicos
isolados termicamente com capacidade de 600 litros (verticais), reservatrio de polietileno
isolado termicamente com capacidade de 600 litros (horizontal), 2 coletores solares de placas
planas, tubulao de cobre e aquecedores a gs de passagem de 7,5 l /min. Os componentes foram caracterizados mediante a curva de eficincia dos coletores solares, eficincia dos
aquecedores a gs de passagem e o coeficiente de perdas trmicas dos reservatrios.
Sensores foram instalados para monitorar os sistemas em operao. Os sinais dos
sensores foram medidos atravs de uma central de aquisio de dados conectado a um
computador. Temperaturas, irradincia solar, consumo de gs e consumo de gua foram
registrados ao longo do tempo. Os resultados experimentais foram comparados com resultados
calculados por meio de um programa desenvolvido no Laboratrio de Energia Solar
apresentando boa concordncia.
Utilizando o mesmo programa determinou-se a configurao do sistema de
aquecimento de gua com energia solar e gs mais eficiente para a cidade de Porto Alegre com
um determinado perfil de consumo. Outros tipos de sistemas de aquecimento de gua foram
simulados para atender o mesmo perfil de demanda. Anlises econmicas comparando estes
sistemas entre si foram realizadas considerando diversos cenrios econmicos.
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ABSTRACT
This Thesis presents an analysis of the thermal behavior of a water heating system
combining solar energy and gas as energy sources. This analysis is focused on how the
efficiency and operational cost of the system are influenced by the way the solar collectors and
the auxiliary energy source are connected to the reservoir. The work includes the assembly of an
experimental system, the characterization of its components and the validation of a computer
simulation program. Analyses of the system efficiency using the software and economical
analyses with simulated data were also performed.
Three water heating systems were assembled in the experimental phase of this Thesis.
Two of them featured vertical tanks and the other had a horizontal tank. Similar components
were employed in each system: a thermal insulated tank with 600 liters capacity, two flat plate
solar collectors, copper piping and a 7.5 l /min instant gas heater. The components were characterized through the solar collectors efficiency curve, the efficiency of the instant gas
heaters and overall thermal loss coefficient of the tanks.
Several sensors were installed for monitoring the systems under operation. Their
signals were measured by a data acquisition system connected to a computer. Temperatures,
solar irradiance, gas and water consumption were registered along the time. The experimental
results were compared to the results obtained from a simulation program developed at the
UFRGS Solar Energy Laboratory with a good agreement.
The most efficient configuration for a hybrid solar-gas water heating system for the
city of Porto Alegre, for a given load profile, was determined with the same software. Different
types of water heating systems were also simulated and the results were compared considering
several economical scenarios.
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SUMRIO
RESUMO .................................................................................................................................. vi
ABSTRACT. ............................................................................................................................. vii
SUMRIO................................................................................................................................. viii
LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................................... xi
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xiii
LISTA DE TABELAS.............................................................................................................. xix
1. INTRODUO .......................................................................................................... 1
1.1 Justificativa................................................................................................................... 3
1.2 Objetivos....................................................................................................................... 4
1.3 Escopo da Tese ............................................................................................................. 5
2.0 REVISO BIBLIOGRFICA................................................................................... 6
2.1 Energia Eltrica..................................................................... ....................................... 6
2.2 Gs Natural..................................................................... .............................................. 8
2.2.1 Gs Associado..................................................................... ......................................... 9
2.2.2 Gs No Associado....................................................................................................... 10
2.3 Gs Liquefeito de Petrleo..................................................................... ...................... 10
2.4 Energia Solar..................................................................... ........................................... 15
2.5 Componentes de Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar.................... 15
2.5.1 Coletores Solares ......................................................................................................... 15
2.5.2 Reservatrios Trmicos........................ ........................................................................ 18
2.5.3 Fonte de Energia Auxiliar. ........................................................................................... 22
2.6 Configuraes dos Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar ................ 22
2.6.1 Sistema Passivo Direto. ................................................................................................ 23
2.6.2 Sistema Passivo Indireto............................................................................................... 23
2.6.3 Sistema Ativo Direto. ................................................................................................... 24
2.6.4 Sistema Ativo Indireto.................................................................................................. 25
2.7 Parmetros de Projeto................................................................................................... 25
2.7.1 Temperatura de Operao............................................................................................. 25
2.7.2 Perfil de Consumo ........................................................................................................ 26
2.8 Aspecto Econmico de Sistemas de Aquecimento de gua. ....................................... 28
2.9 Aspecto Ambiental de um Sistema Solar de Aquecimento de gua. .......................... 29
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3.0 MONTAGEM EXPERIMENTAL DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE
GUA ......................................................................................................................... 31
3.1 Sistema de Aquisio de Dados ................................................................................... 34
3.1.1 Central de Aquisio de Dados .................................................................................... 36
3.1.2 Sensor Resistivo PT100................................................................................................ 37
3.1.3 Sensor de Circuito Integrado ........................................................................................ 39
3.1.4 Piranmetro Fotovoltaico ............................................................................................. 41
3.1.5 Medidor de Consumo de Gs ....................................................................................... 42
3.1.6 Medidor de Consumo de gua..................................................................................... 43
4.0 CARACTERIZAO DOS COMPONENTES DOS SISTEMAS ....................... 44
4.1 Caracterizao dos Reservatrios Trmicos................................................................. 44
4.1.1 Alterao do Isolamento do Reservatrio Trmico Vertical ........................................ 51
4.2 Caracterizao dos Coletores Solares........................................................................... 53
4.2.1 Calibrao do Fluxmetro............................................................................. ................ 59
4.2.2 Medidas de Eficincia de Coletores Solares................................................................. 60
4.3 Sistema de Aquecimento a Gs .................................................................................... 63
4.3.1 Determinao do Rendimento do Aquecedor a Gs de Passagem................ ............... 64
4.3.1.1 Condies de Ensaio..................................................................................................... 64
4.3.1.2 Rendimento e Potncia do Aquecedor a Gs................................................................ 66
4.3.2 Dispositivo Contra Falhas no Acendimento do Gs no Aquecedor de Passagem....... 69
4.4 Vlvula de Controle de Consumo (Solenide)................ ............................................. 71
5.0 ANLISE DAS INCERTEZAS ................................................................................ 73
5.1 Incerteza na Medida dos Sensores de Temperatura................ ..................................... 73
5.2 Energia Proveniente do Gs................ ......................................................................... 74
5.3 Energia Associada ao Coletor Solar................ ............................................................. 80
5.4 Energia Associada ao Consumo................ ................................................................... 81
5.5 Energia Associada s Perdas Trmicas......... ............................................................... 82
6.0 RESULTADOS EXPERIMENTAIS... ..................................................................... 85
6.1 Comportamento dos Sistemas ...................................................................................... 89
6.2 Influncia do Aquecedor a Gs nos Perfis de Temperaturas.......................................... 89
6.3 Influncia da Configurao Sobre a Temperatura de Operao dos Coletores............ 92
6.4 Influncia do Consumo no Perfil de Temperaturas ...................................................... 93
6.5 Influncia do Horrio de Consumo na Eficincia dos Sistemas................................... 96
7.0 PROGRAMA DE SIMULAO.............................................................................. 104
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x
7.1 Metodologia de Validao do Programa de Simulao ............................................... 108
7.2 Validao dos Mdulos do Programa de Simulao.................................................... 109
8.0 ANLISE DOS SISTEMAS ...................................................................................... 123
8.1 Determinao da Configurao do Sistema de Aquecimento Mais Eficiente.............. 123
8.1.1 Resultados das Simulaes........................................................................................... 125
8.2 Comparao de Sistemas de Aquecimento de gua .................................................... 130
8.3 Mtodo Econmico ...................................................................................................... 132
9.0 CONCLUSO............................................................................................................. 145
Referncias Bibliogrficas ....................................................................................................... 148
Bibliografia Complementar...................................................................................................... 153
Publicaes Geradas por esta Tese........................................................................................... 153
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LISTA DE SMBOLOS
A Valor no perodo N [R$]
Ac rea do coletor [m2]
cp Calor especfico presso constante [J/kgC]
d Taxa de juros do mercado [%]
Ei Energia interna [J]
FR Fator de remoo de calor [-]
Go Irradincia solar extraterrestre sobre uma superfcie horizontal [W/m]
Gsc Constante solar [W/m]
GT Energia da radiao solar sobre a superfcie do coletor [J]
k Condutividade trmica [W/mC]
M ndice de qualidade do acumulador em funo da rea e volume [-]
m Massa [kg]
m& Vazo mssica [kg/s] N Nmero de pagamentos [-]
n Nmero do dia do ano [-]
P Presso [N/m]
PCS Poder calorfico superior [kJ/m]
q Quantidade de calor trocado entre dois corpos [J]
Qa Energia armazenada [J]
Qcons Energia de consumo [J]
Qgs Energia do gs [J]
Qsolar Energia do coletor solar [J]
Qp Energia associada s perdas [J]
Qu Energia til [J]
Quc Energia til do coletor solar [J]
uQ& Potncia til [W]
R Resistncia [] S Energia da radiao solar absorvida [J]
t Tempo [s]
T Temperatura absoluta [K]
Ta Temperatura ambiente [C]
Tcons Temperatura de consumo [C]
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Te Temperatura de entrada [C]
Ts Temperatura de sada [C]
Tm Temperatura mdia [C]
Tq Temperatura interna (uniforme) [C]
Trede Temperatura da gua da rede [C]
U Coeficiente de perdas trmicas do reservatrio [W/m C]
UL Coeficiente de perdas trmicas do coletor solar [W/C]
UT Coeficiente global de perdas trmicas [W/C]
VP Valor presente [R$]
V Volume [m3]
V0 Volume normalizado [m3]
WC Incerteza na calibrao do sensor de temperatura [C]
WE Incerteza devido a instabilidade do sensor de medida da
temperatura
[C]
WS Incerteza na medida de temperatura do sistema de aquisio de
dados
[C]
WT Incerteza na medida da temperatura [C]
WQcons Incerteza na medida da energia de consumo [J]
WQsolar Incerteza na medida da energia associada aos coletores solares [J]
WQperdas Incerteza na medida da energia associada as perdas trmicas [J]
WQgs Incerteza na medida da energia do gs [J]
Caracteres Gregos
Difusividade trmica [m2/s] Emissividade da superfcie [-] Rendimento [%] c Rendimento do coletor solar [%] S Rendimento do sistema de aquecimento de gua [%] Comprimento de onda [m] Massa especfica [kg/m3] Inclinao da superfcie em relao ao solo []
()e Produto da transmitncia-absortncia efetivo [-]
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Preo mdio de revenda de Gs Natural. ANP, 2005.............................................. 9
Figura 2.2 Reservatrio produtor de leo e gs associado. (COMPET, 2004)......................... 10
Figura 2.3 Reservatrio produtor de gs no-associado. (COMPET, 2004) ............................ 10
Figura 2.4 Preo mdio de revenda de gs liquefeito de petrleo ANP, 2005 ......................... 13
Figura 2.5 Representao esquemtica da localizao da fonte auxiliar de energia em
sistemas passivos diretos... ...................................................................................... 23
Figura 2.6 Representao esquemtica da localizao da fonte auxiliar de energia em
sistemas passivos indiretos... ................................................................................... 24
Figura 3.1 Vista geral dos sistemas de aquecimento de gua ................................................... 32
Figura 3.2 Representao esquemtica das conexes de ambos os sistemas............................ 32
Figura 3.3 Vista geral do sistema de aquecimento de gua com reservatrio horizontal ......... 33
Figura 3.4 Localizao dos sensores PT100 no sistema 1 (paralelo)........................................ 34
Figura 3.5 Localizao dos sensores PT100 no sistema 2 (srie) ............................................. 35
Figura 3.6 Localizao dos sensores PT100 no sistema 3 (horizontal) .................................... 35
Figura 3.7 Posicionamento dos sensores C.I. no interior do reservatrio trmico ................... 36
Figura 3.8 Isolamento eltrico do PT100.................................................................................. 38
Figura 3.9 Detalhe da fixao do sensor PT100 na tubulao de cobre ................................... 39
Figura 3.10 LM35 com massa trmica na perna do terra............................................................ 40
Figura 3.11 Haste de CPVC com LM35 em seu interior ............................................................ 40
Figura 3.12 Calibrao dos sensores C.I.s com o banho termosttico e o tubo acoplado a
ele ............................................................................................................................ 41
Figura 3.13 Conexo dos sensores C.I. ao carto multiplexador HP 34901A............................ 41
Figura 3.14 Piranmetro fotovoltaico ......................................................................................... 42
Figura 3.15 Medidor de consumo de gs .................................................................................... 42
Figura 3.16 Hidrmetro............................................................................................................... 43
Figura 4.1 Dimenses do reservatrio trmico vertical em mm.................... ........................... 44
Figura 4.2 Dimenses do reservatrio trmico horizontal em mm........................................... 45
Figura 4.3 Vista em perspectiva do reservatrio horizontal.................... ................................. 45
Figura 4.4 Curva de resfriamento do reservatrio vertical ....................................................... 47
Figura 4.5 Relao entre potencia trmica transferida e diferena mdia de temperatura
do reservatrio para o ambiente para calcular os coeficientes globais de
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perdas dos sistemas srie(2) e paralelo(1)... ............................................................ 48
Figura 4.6 Comparao da variao de energia interna medida e calculada por dois
mtodos diferentes ................................................................................................... 51
Figura 4.7 Isolamento adicional de poliuretano........................................................................ 52
Figura 4.8 Enlonamento para diminuir a ao do vento ........................................................... 52
Figura 4.9 Blindagem de alumnio para radiao solar ............................................................ 52
Figura 4.10 Coletores sob teste na bancada Aquatherm. O gabinete da esquerda o
sistema de refrigerao e o do fundo abriga os sistemas de aquecimento e
circulao de gua ................................................................................................... 56
Figura 4.11 Diagrama esquemtico do circuito hidrulico de medio Aquatherm WS 83....... 56
Figura 4.12a Piranmetro Eppley PSP utilizado para medir a radiao solar .............................. 57
Figura 4.12b Anemmetro utilizado para medir a velocidade do vento. ...................................... 57
Figura 4.13 Controle de vazo e caixa de conexes para os sensores de temperatura,
radiao e velocidade do vento................................................................................ 58
Figura 4.14 Esquema do sistema de aquisio de dados............................................................. 58
Figura 4.15 Tela principal do programa Aquatherm de aquisio de dados............................... 59
Figura 4.16 Curva de calibrao do fluxmetro utilizado nos ensaios ........................................ 60
Figura 4.17 Curva de eficincia instantnea medida dos coletores utilizados............................ 61
Figura 4.18 Comparao entre a variao de energia medida e calculada do sistema
paralelo .................................................................................................................... 62
Figura 4.19 Aquecedores e botijes de 45kg com vlvula de reduo de presso ..................... 63
Figura 4.20 Esquema do ensaio com o posicionamento dos equipamentos ............................... 66
Figura 4.21 Variao de temperatura entre a entrada e sada dos aquecedores do sistema 1
e 2 (22/01/04)........................................................................................................... 67
Figura 4.22 Variao de temperatura entre a entrada e sada dos aquecedores do sistema 1
e 2 (19/01/04)........................................................................................................... 67
Figura 4.23 Comparao da variao da energia interna medida e calculada, quando
acionado o aquecedor a gs ..................................................................................... 68
Figura 4.24 Diagrama esquemtico do controlador de religamento do gs................................ 70
Figura 4.25 Placa de circuito impresso vista superior (esq.) e inferior (dir.)........................... 70
Figura 4.26 Variao da energia interna devido ao consumo ..................................................... 72
Figura 6.1 Variao da energia interna dos reservatrios quando os sistemas operaram
apenas com energia solar, utilizando coeficiente global de perdas do sistema
igual a 10 W/C para o sistema 1 (paralelo) e 8,5 W/C para o sistema 2
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(srie). ...................................................................................................................... 85
Figura 6.2 Variao da energia interna dos sistemas de aquecimento apenas com energia
solar, utilizando coeficiente global de perdas de 9,5 W/C para o sistema 1 e 8,1 W/C para o sistema 2 ....................................................................................... 86
Figura 6.3 Variao da relao entre potncia transferida e diferena mdia de
temperatura entre o interior do reservatrio e o ambiente do sistema paralelo
e srie ....................................................................................................................... 87
Figura 6.4 Variao da energia interna dos reservatrios dos sistemas, considerando as
perdas trmicas e a energia solar, utilizando coeficiente global de perdas de
9,77 W/Cpara o sistema 1 e 8,24 W/C para o sistema 2 ...................................... 88 Figura 6.5 Variao da energia interna dos reservatrios dos sistemas, considerando as
perdas trmicas e a energia solar, utilizando coeficiente global de perdas de
9,5 W/Cpara o sistema 1 e 8,1 W/C para o sistema 2 .......................................... 88 Figura 6.6 Temperatura mdia da gua no interior dos reservatrios, temperatura
ambiente e perdas trmicas ao longo de um perodo de trs dias. Utiliza-se
tm1 para temperatura mdia do sistema 1, tm2 para temperatura mdia do
sistema 2 e ta para a temperatura ambiente............................................................. 89
Figura 6.7 Perfis de temperatura da gua do reservatrio do sistema paralelo quando o
aquecedor acionado. Utiliza-se Tegas para a temperatura da gua na
entrada do aquecedor a gs, Tsgas para a temperatura da gua na sada do
aquecedor a gs, Egas para a energia fornecida pelo aquecedor a gs e T1 a
T8 para a temperatura da gua nas camadas de 1 a 8. ............................................. 90
Figura 6.8 Perfis de temperaturas da gua do reservatrio do sistema srie quando o
aquecedor acionado. Utiliza-se Tegas para a temperatura da gua na
entrada do aquecedor a gs, Tsgas para a temperatura da gua na sada do
aquecedor a gs, Egas para a energia fornecida pelo aquecedor a gs e T1 a
T8 para a temperatura da gua nas camadas de 1 a 8. ............................................. 90
Figura 6.9 Perfis de temperaturas do sistema Paralelo ao longo de trs dias de ensaio,
com todos os componentes atuando de forma integrada ......................................... 91
Figura 6.10 Perfis de temperaturas do sistema Srie ao longo de trs dias de ensaio, com
todos os componentes atuando de forma integrada. ................................................ 92
Figura 6.11 Temperaturas da gua na entrada e sada dos coletores solares de ambos os
sistemas. Onde Ta corresponde a temperatura ambiente, Te1 e Ts1
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correspondem as temperaturas de entrada e de sada da gua do coletor do
sistema paralelo, Te2 e Ts2 correspondem as temperaturas de entrada e de
sada da gua do coletor do sistema srie. ............................................................... 93
Figura 6.12 Influncia do consumo no perfil de temperaturas do sistema paralelo. So
utilizados Tcons para a temperatura de consumo, Trede para a temperatura
do sensor da gua da rede (gua de reposio) e Pcons para a potncia
associada ao consumo de gua quente..................................................................... 94
Figura 6.13 Influncia do consumo no perfil de temperaturas do sistema srie. So
utilizados Tcons para a temperatura de consumo, Trede para a temperatura
do sensor da gua da rede (gua de reposio) e Pcons para a potncia
associada ao consumo de gua quente..................................................................... 95
Figura 6.14 Acionamento do aquecedor a gs causando oscilao na temperatura da
camada T5................................................................................................................ 95
Figura 6.15 Influncia do consumo s 19 horas no sistema paralelo.......................................... 98
Figura 6.16 Influncia do consumo s 19 horas no sistema srie. .............................................. 98
Figura 6.17 Influncia do consumo s 15 horas no sistema paralelo.......................................... 99
Figura 6.18 Influncia do consumo s 15 horas no sistema srie. .............................................. 99
Figura 6.19 Influncia do consumo s 9 horas no sistema paralelo............................................ 100
Figura 6.20 Influncia do consumo s 9 horas no sistema srie. ................................................ 100
Figura 6.21 Comparao da variao da energia interna do reservatrio do sistema 1
(paralelo), medido e calculado................................................................................. 101
Figura 7.1 Formulrio de entrada de valores da geometria do sistema a ser simulado ............ 106
Figura 7.2 Formulrio de dimenses e eficincia do coletor do programa de simulao
(dados do coletor utilizado no trabalho). ................................................................. 106
Figura 7.3 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo no dia
23/03/2003 ............................................................................................................... 110
Figura 7.4 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo no dia
23/03/2003. .............................................................................................................. 110
Figura 7.5 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo no dia
01/04/2004. .............................................................................................................. 111
Figura 7.6 Resultado experimental do perfil de temperaturas das camadas de gua no
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interior do reservatrio no dia 05/04/2004. ............................................................. 112
Figura 7.7 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio no dia 08/04/2004. ............................ 112
Figura 7.8 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio horizontal no dia 11/02/2005. ........... 113
Figura 7.9 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo com
acionamento automtico do aquecedor a gs, no dia 17/04/2004. .......................... 114
Figura 7.10 Temperatura mdia simulada e experimental correspondente a figura 7.9 ............. 114
Figura 7.11 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema srie com
acionamento de gs automtico, no dia 17/04/2004................................................ 115
Figura 7.12 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio horizontal com acionamento de
gs automtico, no dia 27/04/2005. ......................................................................... 116
Figura 7.13 Dados de irradincia solar e temperatura ambiente do dia 13/09/2003................... 117
Figura 7.14 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo no dia
13/09/2003. .............................................................................................................. 118
Figura 7.15 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das
camadas de gua no interior do reservatrio do sistema srie no dia
13/09/2003. .............................................................................................................. 118
Figura 7.16 Dados de irradincia solar e temperatura ambiente do dia 15/02/2005................... 119
Figura 7.17 Temperaturas de entrada e sada dos coletores solares do sistema horizontal
experimental (a) e simulado (b), no dia 15/02/2005................................................ 119
Figura 7.18 Resultado experimental do perfil de temperaturas das camadas de gua no
interior do reservatrio do sistema horizontal no dia 15/02/2005. .......................... 120
Figura 7.19 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas da gua
no interior do reservatrio do sistema paralelo quando ocorre consumo de
gua quente, acionamento do aquecedor e funcionamento dos coletores
solares. ..................................................................................................................... 121
Figura 7.20 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas da gua
no interior do reservatrio do sistema srie quando ocorre consumo de gua
quente, acionamento do aquecedor e funcionamento dos coletores solares............ 121
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xviii
Figura 7.21 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas da gua
no interior do reservatrio do sistema com reservatrio horizontal quando
ocorre consumo de gua quente, acionamento do aquecedor e funcionamento
dos coletores solares. ............................................................................................... 122
Figura 8.1 Eficincia mdia do sistema solar das 20 configuraes simuladas com dois e
trs coletores solares. ............................................................................................... 126
Figura 8.2 Frao solar das 20 configuraes simuladas com dois e trs coletores
solares. ..................................................................................................................... 126
Figura 8.3 Energia trmica agregada ao reservatrio das 20 configuraes com dois e
trs coletores solares. ............................................................................................... 127
Figura 8.4 Consumo anual de gs das 20 configuraes simuladas com dois e trs
coletores solares....................................................................................................... 128
Figura 8.5 Representao esquemtica da configurao oito ................................................... 130
Figura 8.6 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 5%.................................................................. 140
Figura 8.7 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 2%.................................................................. 141
Figura 8.8 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 1% (cenrio 3). .............................................. 141
Figura 8.9 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 5% (cenrio 4). .............................................. 142
Figura 8.10 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 2% (cenrio 5). .............................................. 143
Figura 8.11 Relao entre o Valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar
utilizando taxa de financiamento de 1% (cenrio 6). .............................................. 144
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xix
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Tarifas mdias de energia eltrica, classe residencial, para o estado do Rio Grande do Sul. ANEEL, 2005................................................................................................ 7
Tabela 2.2 Tarifa convencional do setor residencial. CEEE, 2005.. ........................................... 7
Tabela 2.3 Alquota de ICMS em funo das Classes................................................................. 8
Tabela 2.4 Comparaes entre GN e GLP. (COMPET, 2004) ................................................... 14
Tabela 2.5 Propriedades termofsicas de alguns materiais a 30C, Incropera (1998) ................. 20
Tabela 4.1 Parmetros do sistema de aquecimento a gs, determinados experimentalmente..... 68
Tabela 4.2 Vazo mssica de consumo de gua quente dos sistemas, determinadas
experimentalmente..................................................................................................... 71
Tabela 5.1 Valores das incertezas utilizadas no clculo da incerteza do volume de gs ............ 77
Tabela 5.2 Valores das incertezas utilizados no clculo da incerteza da eficincia do
aquecedor................................................................................................................... 78
Tabela 5.3 Valores das incertezas utilizados no clculo da incerteza da eficincia do coletor... 80
Tabela 5.4 Valores mdios para clculo da incerteza da energia associada aos coletores
solares. ....................................................................................................................... 81
Tabela 5.5 Valores mdios para clculos da incerteza da energia associada ao consumo. ......... 82
Tabela 5.6 Incertezas das variveis da energia associada s perdas trmicas ............................. 83
Tabela 5.7 Valores das variveis utilizadas no clculo da incerteza da energia associada as
perdas trmicas. ......................................................................................................... 84
Tabela 6.1 Balano de energia de ambos os sistemas ................................................................. 96
Tabela 6.2 Coeficientes utilizados nos clculos do balano de energia ...................................... 101
Tabela 6.3 Balano energtico dos sistemas para os diferentes horrios de consumo, ao longo
de trs dias ................................................................................................................. 102
Tabela 6.4 Estimativa das eficincias do sistema paralelo e srie .............................................. 103
Tabela 7.1 Parmetros dos sistemas de aquecimento de gua quente......................................... 107
Tabela 7.2 Alturas de conexo dos componentes do sistema paralelo, srie e horizontal .......... 107
Tabela 8.1 Alturas de conexes do coletor solar e aquecedor a gs das configuraes
simuladas. .................................................................................................................. 124
Tabela 8.2 Resultados das simulaes das configuraes mais eficientes utilizando 4
coletores solares......................................................................................................... 129
Tabela 8.3 Resultados das simulaes das configuraes mais eficientes utilizando 5
coletores solares......................................................................................................... 129
-
xx
Tabela 8.4 Custo do sistema de aquecimento de gua com energia solar (com 1 coletor solar). 131
Tabela 8.5 Custo do sistema de aquecimento a gs..................................................................... 131
Tabela 8.6 Custos dos sistemas. .................................................................................................. 132
Tabela 8.7 Custo dos combustveis em R$/MJ. .......................................................................... 133
Tabela 8.8 Valores presentes dos custos de implantao, manuteno, operao e total dos
sistemas de aquecimento simulados (cenrio 1). ....................................................... 134
Tabela 8.9 Valores presentes dos custos de implantao, manuteno, operao e total dos
sistemas de aquecimento simulados (cenrio 2). ....................................................... 135
Tabela 8.10 Valores presentes dos custos de implantao, manuteno, operao e total dos
sistemas de aquecimento simulados (cenrio 3). ....................................................... 136
Tabela 8.11 Valores da energia eltrica, botijo de gs e suas taxas de inflao. (ANEEL, 2005
e ANP, 2005) ............................................................................................................. 137
Tabela 8.12 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 4).................... 138
Tabela 8.13 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 5).................... 138
Tabela 8.14 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 6). ................... 139
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CAPTULO 1
INTRODUO
A gerao de energia eltrica no Brasil depende quase que exclusivamente das
hidreltricas (95%), tendo muito pouca contribuio por outras formas de gerao de energia tais
como trmica a carvo, gs e nuclear e menos ainda de fontes alternativas como solar e elica
(PROCEL, 2003). Esta poltica de gerao de energia eltrica expe o pas a situaes como o
apago de 2001, que na ausncia de chuvas fez o sistema de gerao de energia e a economia do
pas entrar em colapso. Modificar a estrutura de uma matriz energtica um processo que
envolve planejamento de longo prazo, investimento e vontade poltica. A questo ambiental
aparece de pano de fundo em conjunto com a economia devendo nortear o planejamento para um
desenvolvimento sustentvel.
A recente crise de energia que o Brasil enfrentou renovou o interesse em fontes de
energias alternativas. De acordo com programa de conservao de energia eltrica do Brasil
(PROCEL, 2003), aproximadamente 25% do consumo de energia eltrica do setor residencial
so utilizados para aquecimento de gua para banho. O chuveiro eltrico o dispositivo de
aquecimento de gua mais utilizado no pas, estando presente em 70% dos lares brasileiros,
(ANEEL, 1998). A ABRAVA (1996) (Associao Brasileira de Refrigerao, Ar Condicionado,
Ventilao e Aquecimento) afirma em suas publicaes que mais de 6% de todo o consumo
nacional de energia eltrica, utilizado para alimentar chuveiros eltricos. A utilizao em larga
escala do chuveiro eltrico no Brasil deve-se ao relativo baixo custo do prprio chuveiro eltrico
e da energia eltrica. Atualmente o cenrio brasileiro indica uma previso de aumento da
demanda por energia eltrica superior a capacidade de aumento na gerao de energia eltrica
que os investimentos atuais sero capazes de realizar. Um fator agravante a utilizao do
chuveiro nos ditos horrios de pico, que sobrecarregam a rede de distribuio nestes horrios.
Segundo a Diretoria de Operaes da Eletrobrs, na hora de pico (entre 18:00 e 21:00h), os
chuveiros eltricos so responsveis por quase 20% do consumo nacional de eletricidade,
ANEEL (1998).
O aquecimento de gua utilizando aquecedores a gs tambm amplamente utilizado
no pas. Os sistemas apresentam eficincia da ordem de 80% para aquecedores de passagem e
85% para aquecedores de acumulao, considerando apenas a eficincia na transferncia de calor
-
2
entre a cmara de combusto e a gua e no no armazenamento de gua quente. Respeitando
aspectos de instalao, os aquecedores a gs podem ser considerados seguros. Embora resolvam
o problema da sobrecarga do horrio de pico que os chuveiros eltricos causam, a energia
utilizada de origem no renovvel e , portanto uma soluo no sustentvel.
Por outro lado o Brasil tem uma rea territorial imensa e toda ela com uma boa
incidncia de radiao solar. A utilizao da energia solar, uma energia renovvel, para
aquecimento de gua em residncias reduziria o problema eltrico e ambiental. Segundo
Tolmasquim (2003), o Brasil atingiu cerca de 1,3 milhes de metros quadrados de rea coletora
instalada (coletores solares), em 2001. Cerca de 80% deste valor corresponde a instalaes
residenciais de aquecimento solar de pequeno porte em circulao natural.
Sistemas de aquecimento de gua diferem entre si sob diferentes aspectos. Dentre os
principais pode-se citar o custo de implantao, custo de operao e atendimento ao perfil de
consumo. O chuveiro eltrico o que apresenta o menor custo de implantao, seguido dos
aquecedores a gs de passagem, aquecedores eltricos de acumulao, aquecedores a gs de
acumulao e, por ltimo, o aquecimento com energia solar.
O custo de operao funo do preo do combustvel utilizado, eficincia do
sistema de aquecimento e do perfil de consumo. Os sistemas de aquecimento com energia solar
diferem dos demais, pois necessitam de uma fonte auxiliar de energia para suprir a demanda de
gua quente em dias de baixa radiao solar. Este fato faz com que o custo de operao no se
mantenha constante, ficando dependente das condies climticas, eficincia e
conseqentemente da frao em que a fonte auxiliar ser utilizada, como demonstrado por
Schrder e Reddemann (1982).
A capacidade instantnea de suprir a demanda um fator limitante dos sistemas de
aquecimento de passagem. Nos casos em que necessrio fornecer grandes quantidades de
energia em curtos perodos de tempo, so favorecidos os sistemas que utilizam acumulao.
Nesta categoria encontram-se os aquecedores de acumulao que utilizam energia eltrica, gs e
energia solar.
Sistemas de aquecimento de gua com energia solar tradicionalmente utilizam
eletricidade como fonte auxiliar de energia. Como tais sistemas so projetados para suprir a
demanda mesmo nos meses de inverno, o alto custo da energia eltrica faz com que o
dimensionamento se d de forma que a frao da fonte auxiliar de energia seja pequena,
empregando uma grande rea de coletores solares. Esta prtica aumenta o custo de implantao e
fornece um excedente de calor no vero.
-
3
No Brasil o custo equivalente do gs (GLP ou GN) mais baixo que o da energia
eltrica (tarifa residencial). Este fato faz com que, no dimensionamento de sistemas de
aquecimento de gua com energia solar que utilizam gs como fonte auxiliar, possa ser proposta
uma frao da fonte auxiliar maior, com consequente rea menor de coletores. Nestes sistemas
pode-se utilizar um reservatrio trmico com maior capacidade volumtrica e temperatura de
operao mais baixa, resultando em menores perdas trmicas, como demonstrado por Krenzinger
et al (2002). Assim, alm do menor custo de implantao, obtida uma maior eficincia do
sistema solar ao longo do ano todo.
A eficincia dos coletores solares funo da radiao solar, temperatura ambiente e
da temperatura da gua na entrada do coletor. Quanto menor for a temperatura de entrada da
gua no coletor maior ser a eficincia deste e, conseqentemente, do sistema de aquecimento
solar. Algumas recomendaes para baixar a temperatura de entrada da gua no coletor so
listadas a seguir:
- Aumentar a relao volume do reservatrio e rea de coletores;
- Utilizao de reservatrio vertical, favorecendo a estratificao;
- Consumo de gua quente de manh.
As trs alternativas foram adotadas nos sistemas em estudo nesta tese. Deve-se ainda
considerar que o perfil de distribuio de temperatura no interior do tanque influenciado pela
posio, potncia e instante em que acionada a fonte de energia auxiliar.
A utilizao da energia solar para aquecimento de gua para fins residenciais,
industriais e comerciais vem aumentando nos ltimos anos no mundo todo. Percebe-se, no
entanto, que para uma disseminao mais intensa do uso destas tecnologias so necessrios
programas de apoio e estmulo promovidos por rgos governamentais. Um dos quesitos que
retarda a expanso deste mercado o custo inicial de um sistema de aquecimento de gua com
energia solar. Embora se saiba que estes sistemas apresentam um ciclo de vida elevado
(aproximadamente 20 anos) e que neste perodo eles conseguem facilmente pagar o investimento
inicial atravs da economia obtida no consumo de energia eltrica, a realidade econmica da
maioria das famlias brasileiras no permite adquirir tais sistemas.
1.1 Justificativa
No Brasil, a utilizao de sistemas de aquecimento de gua com energia solar
muito pequena devido aos seus altos custos de instalao. A utilizao de chuveiros eltricos, em
larga escala, sobrecarrega a rede de distribuio nos horrios de pico. O custo do gs natural ou
-
4
do gs liquefeito de petrleo menor do que a energia eltrica (tarifa residencial). Diante deste
cenrio o Laboratrio de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul prope
um sistema de aquecimento de gua que permite reduzir o custo de instalao de sistemas de
aquecimento de gua com energia solar e gs sem comprometer seu desempenho. O sistema de
aquecimento de gua com energia solar e gs proposto pode ser montado aumentando
gradativamente o nmero de coletores e conseqentemente diminuindo o custo de operao
(consumo de gs).
O comportamento trmico deste tipo de sistema no conhecido e programas de
simulao disponveis comercialmente no permitem variar as alturas das conexes dos
componentes dos sistemas ao reservatrio trmico. Para analisar o comportamento destes
sistemas foi desenvolvido um programa de simulao por computador, no mbito de um projeto
conjunto entre UFRGS, PETROBRS e FINEP. Para validar o programa de simulao foram
montados e monitorados trs sistemas que utilizam gs como fonte auxiliar de energia, no
Laboratrio de Energia Solar da UFRGS, para obter dados experimentais. Dois sistemas foram
montados com reservatrios verticais e um terceiro com reservatrio horizontal.
1.2 Objetivos
O objetivo principal desta tese realizar um estudo sobre a influncia que a forma de
conexo dos coletores solares e do circuito da fonte auxiliar de energia ao reservatrio exercem
sobre a eficincia e o custo de operao do sistema de aquecimento.
Para atingir o objetivo principal ser necessrio efetuar vrias etapas as quais
caracterizam-se como objetivos especficos:
1. Caracterizar os componentes do sistema;
2. Montar trs sistemas de aquecimento de gua com energia solar e gs;
3. Montar o sistema de aquisio de dados para monitorar as variveis envolvidas;
4. Desenvolver um programa de controle dos sistemas de aquecimento de gua;
5. Verificar os valores dos parmetros, obtidos na caracterizao dos componentes, com
os sistemas operando, atravs do balano de energia;
6. Gerar dados experimentais do comportamento dos sistemas de aquecimento;
7. Verificar experimentalmente a influncia do perfil de consumo na eficincia dos
sistemas;
8. Efetuar ajustes e validar o programa de simulao Aquesolgs;
9. Determinar a configurao que apresenta a melhor eficincia;
-
5
10. Efetuar uma anlise econmica da configurao mais eficiente e compar-la com
outros tipos de sistema para um caso de consumo na cidade de Porto Alegre.
1.3 Escopo da Tese
Para a apresentao da tese, este documento organizado em captulos.
O captulo 2 apresenta uma reviso bibliogrfica sobre as fontes de energia e os
sistemas de aquecimento de gua com energia solar. Descreve seus principais componentes,
parmetros de projeto, assim como aspectos econmicos e ambientais.
O captulo 3 apresenta a descrio dos sistemas propostos e analisados nesta tese,
bem como da central de aquisio de dados.
O captulo 4 apresenta a caracterizao dos componentes dos sistemas e detalhes da
montagem experimental. Descreve o mtodo de determinao dos parmetros de projeto. Um
programa desenvolvido em Visual Basic efetuou clculos de balano de energia, com os dados
gerados experimentalmente. A comparao dos resultados calculados com os resultados
experimentais comprovou a preciso dos parmetros obtidos.
O captulo 5 apresenta a anlise das incertezas das variveis experimentais e a
propagao destas incertezas no clculo do balano de energia dos sistemas.
O captulo 6 apresenta a metodologia de ensaio dos sistemas de aquecimento de gua
com energia solar e gs e os resultados experimentais dos diversos ensaios realizados.
O captulo 7 apresenta o programa de simulao por computador de sistemas de
aquecimento de gua com energia solar e gs, desenvolvido pela equipe do Laboratrio de
Energia Solar da UFRGS. Descreve os modelos adotados pelo programa, apresenta resultados da
validao do programa, resultados simulados comparados com resultados experimentais.
O captulo 8 apresenta a determinao da configurao mais eficiente assim com
uma anlise econmica de diferentes sistemas de aquecimento de gua. Apresenta comparaes
entre o sistema proposto e o sistema de aquecimento de gua com energia solar e apoio eltrico.
O captulo 9 apresenta as concluses e sugestes para trabalhos futuros.
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CAPTULO 2
REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 Energia Eltrica
Por sua natureza, a energia eltrica uma forma de energia que no pode ser
armazenada. Assim, ela tem que ser produzida no momento em que se deseja utiliz-la ou
convertida em outra forma de energia para seu armazenamento. Esta caracterstica fundamental
determina as possibilidades tecnolgicas para seu fornecimento.
Devido a grande utilizao da energia eltrica na sociedade, o seu fornecimento deve
ser contnuo e ininterrupto. Ningum est disposto a ficar sem a energia eltrica, seja qual for o
perodo de tempo. Em pases em desenvolvimento, como o Brasil, o crescimento do consumo de
energia eltrica uma constante (entre 3 e 5 % a.a.). Mesmo nos perodos em que se verificou
uma estagnao econmica, o consumo no parou de crescer. Para atender a este consumo, novas
usinas geradoras, sistemas de transmisso e distribuio devem ser construdos. A construo de
novas usinas e sistema de transmisso est associada a grandes investimentos, longos prazos para
concluso das obras e significativos impactos ambientais. Quando economizada energia
eltrica, a energia no gasta pode ser fornecida a um outro consumidor, para prestao de um
outro servio, eliminando a necessidade de expanso do sistema.
natural que as atividades humanas interfiram no meio ambiente. Porm, quando a
interferncia atinge um nvel que desequilibra essa estrutura natural, ocorre o que se denomina
impacto ambiental. importante mencionar que todas as formas de gerao de energia eltrica
provocam interferncias no meio ambiente. Algumas so mais impactantes e outras menos.
As usinas hidreltricas provocam vrios impactos ambientais, como a inundao de
reas (destruindo a flora e a fauna), interferncia no curso natural dos rios e nos seus ciclos
(devido ao represamento e controle das guas) e deslocamento de populaes. As linhas de
transmisso tambm produzem impactos ambientais, embora de dimenso bastante inferior aos
das usinas de gerao.
A Tabela 2.1 apresenta a evoluo dos valores histricos das tarifas de energia
eltrica no Brasil. Observa-se que a tarifa sofreu sucessivos aumentos de 1986 at 1993, em 1994
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7
e 1995 ocorreram duas quedas nos preos, voltando a subir entre 1995 e 2001. Cabe ressaltar que
verificando a evoluo dos preos de outros energticos neste mesmo perodo, observou-se o
mesmo comportamento da tarifa de energia eltrica. Esta informao bastante til em anlises
econmicas de sistemas que utilizam combustveis, como ser visto no captulo 8 desta tese.
Tabela 2.1 Tarifas mdias de energia eltrica, classe residencial, para o estado do
Rio Grande do Sul. ANEEL, 2005.
Ano Consumidor residencial
(R$/MWh)
1995 75,55
1996 104,16
1997 122,32
1998 129,42
1999 141,16
2000 156,95
2001 182,27
2002 210,75
2003 236,61
2004 274,16
O custo da energia eltrica para o setor residencial, adota um critrio de reduo de
tarifa em funo da faixa de consumo, como apresentado na Tabela 2.2, onde o valor de
referncia o consumo mensal residencial. Os valores da Tabela 2.2 devem ser acrescidos do
imposto sobre circulao de mercadorias (ICMS) apresentado na Tabela 2.3, para o clculo final
do custo do kWh.
Tabela 2.2 Tarifa convencional do setor residencial. CEEE 2005.
BAIXA TENSO CONSUMO Subgrupo B1-CLASSE residencial R$/kWh
Consumo mensal AT 30 kWh 0,106500 Consumo mensal DE 31 A 100 kWh 0,182610
Consumo mensal DE 101 A 160 kWh 0,273940 Consumo mensal SUPERIOR A 160 kWh 0,303500
Consumo mensal residencial 0,304360
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8
Tabela 2.3 Alquota de ICMS em funo das Classes.
Alquotas de ICMS Classes 30% Residencial (+ de 50 kWh), comercial p. pb., serv. pbl. 17% Industrial 20% Iluminao pblica 7% Residencial at 50 kWh
30% Rural
2.2 Gs Natural
O gs natural um combustvel fssil encontrado em rochas porosas no subsolo,
podendo estar associado ou no ao petrleo. Sua formao resulta do acmulo de energia solar
sobre matrias orgnicas soterradas em grandes profundidades, do tempo pr-histrico, devido
ao processo de acomodao da crosta terrestre.
O gs natural permanece no estado gasoso, sob presso atmosfrica e temperatura
ambiente. Mais leve que o ar, o gs natural dissipa-se facilmente na atmosfera em caso de
vazamento. Para que se inflame, preciso que seja submetido a uma temperatura superior a
620C. Alm disso, incolor e inodoro, queimando com uma chama quase imperceptvel. Por
questes de segurana, o GN comercializado odorizado com enxofre. Alm dos benefcios
econmicos, o GN um combustvel no-poluente. Sua combusto limpa, razo pela qual
dispensa tratamento dos produtos lanados na atmosfera, apesar de, evidentemente, ser fonte de
liberao de CO2 na atmosfera.
Sua composio pode variar dependendo do fato do gs estar associado ou no ao
leo, ou de ter sido ou no processado em unidades industriais. A composio bsica inclui
metano, etano, propano e hidrocarbonetos de maior peso molecular (em menores propores).
Normalmente apresenta baixos teores de dixido de carbono, gua, compostos de enxofre e
nitrognio.
No uso em residncias, o gs natural chamado de "gs domiciliar". um mercado
em franca expanso, especialmente nos grandes centros urbanos de todo o Pas. As companhias
distribuidoras estaduais tm planos de grande ampliao de suas redes, e o aumento do consumo
de gs domiciliar demanda investimentos expressivos em converses e em recebimento e
adaptaes nas residncias.
No uso em automveis, nibus e caminhes, o gs natural recebe o nome de "gs
veicular", oferecendo vantagem no custo por quilmetro rodado. O gs natural no provoca
resduos de carbono nas partes internas do motor, o que, de um lado, aumenta a vida til do
-
9
motor e o intervalo de troca de leo e, do outro, reduz significativamente os custos de
manuteno.
A Figura 2.1 apresenta a evoluo dos preos do gs natural entre agosto de 2004 e
janeiro de 2005 para trs regies do pas, indicando uma tendncia de aumento dos preos nas
regies sul e nordeste e estabilidade na regio sudeste.
Figura 2.1 Preo mdio de revenda de Gs Natural. ANP, 2005.
So inmeras as vantagens econmicas do uso do gs natural, mas sua maior
contribuio est ligada diretamente na melhoria dos padres ambientais quando comparado com
outros combustveis. O uso do GN em substituio ao carvo ou leo combustvel assegura a
melhoria da qualidade do ar que se respira, baixando os ndices de poluio e,
consequentemente, de doenas respiratrias. Numa poca em que as atenes esto cada vez
mais voltadas para o meio ambiente, o gs natural apresenta-se como uma boa alternativa
energtica de hoje - um combustvel verstil, econmico e menos poluente que a maioria dos
outros, que ser disponibilizado em escala compatvel com a demanda nacional.
2.2.1 Gs Associado
aquele que, no reservatrio, est dissolvido no leo ou sob a forma de capa de gs.
Neste caso, a produo de gs determinada diretamente pela produo do leo. Caso no haja
condies econmicas para a extrao, o gs natural reinjetado na jazida ou queimado, a fim de
evitar o acmulo de gases combustveis prximos aos poos de petrleo. O gs natural no
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associado mais interessante do ponto de vista econmico, devido ao grande acmulo de
propano e de hidrocarbonetos mais pesados.
Figura 2.2 - Reservatrio produtor de leo e gs associado. (COMPET, 2004)
2.2.2 Gs No Associado
aquele que, no reservatrio, est livre ou junto a pequenas quantidades de leo.
Neste caso, s se justifica comercialmente produzir o gs. As maiores ocorrncias de gs natural
no mundo so de gs no associado.
Figura 2.3 - Reservatrio produtor de gs no-associado. (COMPET, 2004)
2.3 Gs Liquefeito de Petrleo
O GLP - gs liquefeito de petrleo - pode ser separado das fraes mais leves de
petrleo ou das mais pesadas de gs natural. presso atmosfrica e temperaturas normalmente
encontradas no ambiente um produto gasoso, inflamvel, inodoro e asfixiante, quando aspirado
em altas concentraes. temperatura ambiente, mas submetido presso na faixa de 0,3 a 1,5
MPa, o GLP se apresenta na forma lquida. Deste fato resultam o seu nome - gs liquefeito de
petrleo - e a sua grande aplicabilidade como combustvel, devido facilidade de
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11
armazenamento e transporte do lquido de GLP, a partir do seu engarrafamento em vasilhames.
Para que os vazamentos de gs sejam facilmente identificados, compostos a base de enxofre so
adicionados, apenas para lhe dar um odor caracterstico, sem lhe atribuir caractersticas
corrosivas.
O GLP consumido no Pas provm em sua maior parte do refino do petrleo. um
derivado composto da mistura de hibrocarbonetos com 3 e 4 tomos de carbono com ligao
simples, denominados de propano e butano. Ligaes duplas, propeno e buteno, tambm ocorrem
com freqncia, principalmente na corrente de GLP proveniente das refinarias. Constituintes
mais leves, como etano, e mais pesados como pentanos, so admitidos desde que a presso de
vapor a 37,8 C no ultrapasse o valor de 1,5 MPa ( o que limita a quantidade de leves) e o ponto
de ebulio de 95% do volume de gs, a 0,1 MPa, no ultrapasse o valor de 2C (caracterstica
conhecida como intemperismo, o que limita a quantidade de pesados). A quantidade de enxofre
limitada em 0,36 g/m, o que normalmente s obtido em refinarias aps a corrente de gs passar
por tratamento especfico.
A primeira etapa do processo de refino a destilao atmosfrica. Nela o petrleo
aquecido e fracionado em uma torre, de onde so extrados, por ordem crescente de densidade,
gases combustveis, GLP, gasolina, nafta, solventes e querosenes, leo diesel e um leo pesado,
chamado de resduo atmosfrico, extrado pelo fundo da torre. Em seguida este resduo
reaquecido e enviado para uma outra torre onde o fracionamento se d a uma presso abaixo da
atmosfrica, sendo ento extrada mais uma parcela de leo diesel e um produto chamado
genericamente de gasleo. O resduo de fundo desta destilao, chamada a vcuo, pode ser
especificado como leo combustvel ou asfalto, ou at mesmo servir como carga de outras
unidades mais complexas de refinao, sempre com o objetivo de se produzir produtos mais
nobres do que a matria-prima que os gerou.
O gasleo, por exemplo, serve como matria-prima para o processo de craqueamento
cataltico, onde altas temperaturas conjugadas presena de catalisadores qumicos partem as
molculas, transformando-o em gases combustveis, GLP, gasolina e outros produtos. Esta
unidade de craqueamento cataltico fludo, conhecida como FCC, a grande geradora de GLP
produzido nas refinarias brasileiras. Aps tratamento para remoo de enxofre e compresso dos
gases, a parte que se liqefaz temperatura ambiente armazenada em esferas e denominada gs
liquefeito de petrleo, GLP.
Outro processo de onde extrada parte do GLP consumido no Pas o que ocorre
nas Unidades de Processamento de Gs Natural, UPGN, nas quais as fraes mais pesadas do
gs so separadas da corrente, produzindo GLP e um derivado na faixa da gasolina. De cada
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12
barril de petrleo a refinar, o rendimento em derivados varia de acordo com o tipo de petrleo, as
condies operacionais e, por ltimo, com os processos utilizados. Por exemplo, petrleos mais
leves geram maior quantidade de derivados leves, como gases combustveis, GLP e gasolina.
Petrleos pesados geram mais leo combustvel ou asfalto.
De qualquer forma existe uma limitao na quantidade de GLP produzida a partir da
refinao do petrleo. Atualmente, com a gama de tipos de petrleo processados e as unidades
em operao nas refinarias brasileiras, aproximadamente 9% do petrleo refinado transformado
em GLP. Em 1997, as unidades em operao nas refinarias, somadas com as UPGN, produziram
uma mdia mensal de cerca de 325.000 toneladas (t) de GLP, o que fica muito aqum da
demanda mdia brasileira de aproximadamente 525.000 t/ms. A diferena, em torno de 40% do
consumo, completada a partir de GLP importado. Da a importncia da existncia de projetos
de racionalizao do uso deste combustvel.
A opo de se aumentar a oferta de GLP simplesmente a partir do aumento da
capacidade de refino no revela-se a mais atraente do ponto de vista de custos, uma vez que o
aumento de 60% da capacidade de refino, necessrio para atender o mercado, acarretaria uma
sobra considervel de outros combustveis, principalmente gasolina e leo combustvel, e a
conseqente dificuldade de comercializ-los a preos atrativos. Desta forma, a menos que
acontea um rearranjo do perfil de consumo de derivados no Pas, a importao de GLP se far
presente ainda por muito tempo.
GLP comercializado no Pas em quase sua totalidade como uma mistura de gases
na faixa de hidrocarbonetos com 3 e 4 tomos de carbono. No entanto tambm esto disponveis
no mercado os principais componentes do mesmo em graus de pureza variados, quais sejam:
Propano Especial com concentrao mnima de 90% em volume de propano e mxima de 5% de
propeno; Propano Comercial com concentrao tpica de 90% em volume de propano; Butano
Comercial com concentrao tpica de 90% em volume de butano.
Os consumos de propano e butano respondem atualmente por menos de 1% da
demanda total dos gases na faixa do GLP. As aplicaes tpicas destes gases (fornecidos
desodorizados) so para pressurizao de aerossis, em substituio ao CFC que agride a camada
de oznio da atmosfera e no caso do propano especial como combustvel para corte e tratamento
trmico de metais.
O GLP largamente conhecido como "gs de cozinha", devido sua principal
aplicao como gs para coco de alimentos, estimada em mais de 90% da demanda brasileira.
Outras aplicaes comumente encontradas so as de combustvel industrial em fbricas e como
combustvel de empilhadeiras, utilizadas em ambientes fechados.
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A forma de comercializao mais comum a de engarrafamento em botijes de 13
kg de gs. Estima-se que existam mais de 70 milhes de vasilhames deste tipo em circulao
pelo Pas. Cilindros de 45 kg de gs tambm so largamente comercializados, principalmente
para estabelecimentos comerciais. Recipientes com capacidades diferentes tambm podem ser
encontrados, mas em nmero muito menor. Em ambos, quando cheios, a presso fica em torno
de 1,5 MPa. A essa presso e temperatura ambiente, 85% do seu volume est no estado lquido
e 15 % no estado vapor.
A Figura 2.4 apresenta a evoluo dos preos do gs liquefeito de petrleo no
perodo de agosto de 2004 a janeiro de 2005 nas cinco regies do Brasil, indicando uma
tendncia de aumento de preos nas regies sul e sudeste e baixa de preos nas demais regies. O
botijo de gs de 13 kg comercializado em um valor aproximado de R$ 32,00 na regio sul.
Figura 2.4 Preo mdio de revenda de Gs Liquefeito de petrleo. ANP, 2005.
O Governo Brasileiro faz uma poltica social de apoio populao mais pobre,
subsidiando o GLP para uso domstico atravs de uma parcela embutida no preo de outros
combustveis, principalmente da gasolina. Devido a isto, o GLP tem uma penetrao muito
grande em todo o Pas, substituindo at mesmo parte da lenha para coco de alimentos na zona
rural. Por outro lado, preos baixos acarretam a utilizao indevida deste combustvel, em
veculos e utilitrios leves. Estas aplicaes so ilegais e muitas vezes perigosas, devido s
improvisaes e falta de regulamentao nos equipamentos que dele se utilizam.
A Tabela 2.4 apresenta um quadro comparativo das principais caractersticas dos
gases (GN e GLP), evidenciando as diferenas de poder calorfico, densidade e presses de
armazenamento.
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Tabela 2.4 Comparaes entre GN e GLP. (CONPET, 2004)
GN GLP GS DE RUA GS DE REFINARIA
ORIGEM
RESERVATRIOS
DE PETRLEO E DE
GS NO
ASSOCIADO
DESTILAO DE
PETRLEO E
PROCESSAMENTO
DE GS NATURAL
REFORMA TERMO-
CATALTICA DE
GS NATURAL OU
DE NAFTA
PETROQUMICA
PROCESSOS DE REFINO
DE PETRLEO (CRAQ.
CATALTICO,
DESTILAO, REFORMA E
COQUEAMENTO
RETARDADO)
PESO MOLECULAR 17 A 21 44 A 56 16 24
PODER CALORFICO
SUPERIOR (kJ/m)
RICO: 45627
PROCESSADO:38930 100464 A 133792 18000 41860
DENSIDADE (kg/m) 0,58 A 0,72 1,5 A 2,0 0,55 0,82
PRINCIPAIS
COMPONENTES METANO E ETANO
PROPANO E
BUTANO
HIDROGNIO,
METANO,
NITROGNIO,
MONXIDO E
DIXIDO DE
CARBONO
HIDROGNIO,
NITROGNIO, METANO E
ETANO
PRINCIPAIS
UTILIZAES
RESIDENCIAL,
COMERCIAL,
AUTOMOTIVO E
GERAO
TERMELTRICA.
INDUSTRIAL,
PETROQUMICA E
SIDERRGICA
INDUSTRIAL,
RESIDENCIAL E
COMERCIAL
RESIDENCIAL E
COMERCIAL
INDUSTRIAL,
PETROQUMICA
PRESSO DE
ARMAZENAMENTO 200 ATM 15 ATM - -
Nesta tese ser trabalhado com gs GLP por no haver canalizao de gs natural
instalada nas proximidades da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, por ser muito
complicado o processo de aquisio/transporte/instalao de gs natural veicular (GNV) em
cilindros e por seu elevado custo (aproximadamente 28 R$/m) quando comprado a granel de
empresas de comercializao de gases. Os aquecedores a gs utilizados nos ensaios
experimentais poderiam utilizar gs natural mediante aumento na regulagem da vazo do gs,
por apresentar menor poder calorfico superior e menor densidade que o gs GLP.
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2.4 Energia Solar
O Sol a estrela mais prxima da Terra. A sua estrutura e caractersticas determinam
a natureza da energia irradiada no espao. constitudo por matria gasosa, principalmente
hidrognio, possui uma temperatura efetiva de corpo negro de aproximadamente 5777 K. Emite
radiao eletromagntica entre os comprimentos de onda de 0,2 e 25 m, estando a faixa do visvel localizada entre 0,38 e 0,78 m. A intensidade da radiao varia com o comprimento de onda e atinge 95% do total da energia solar dentro do intervalo de 0,3 a 2,12 m. A energia recebida, por unidade de tempo, em uma rea unitria perpendicular
direo de propagao da radiao e medida na distncia mdia entre o Sol e a Terra, fora da
atmosfera, chamada de constante solar e assume o valor de 1367 W/m, segundo Duffie (1991).
A radiao que incide em um determinado ponto na superfcie da terra inferior a
constante solar, pois ao atravessar a atmosfera parte desta radiao absorvida e ou refletida
(causando espalhamento da radiao, disperso) pelos constituintes da atmosfera, tais como
poeira, vapor dgua, ar e aerossis.
Para calcular a radiao solar que atinge uma superfcie horizontal na Terra,
necessrio estabelecer algumas relaes geomtricas entre a posio do Sol no cu e as
coordenadas desta superfcie na Terra, conforme apresentado em Duffie (1991).
2.5 Componentes de Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar
Os sistemas de aquecimento de gua com energia solar so constitudos por coletores
solares, reservatrios trmicos, reservatrios de gua, fonte auxiliar de energia e tubulao.
2.5.1 Coletores Solares
O cientista Horace-Bndict de Saussure o responsvel pela analogia entre o
envidraamento de uma estufa e a atmosfera terrestre. Em 1780 ele realizou uma demonstrao
experimental, que posteriormente foi citada por Fourier e Pouillet, com o objetivo de mostrar o
efeito da energia solar sobre o ar em funo da altitude. Construiu um dispositivo composto por
cinco caixas de vidro, encaixadas umas nas outras e equipadas de termmetros. O objetivo era
mostrar o efeito da radiao solar sobre a temperatura do ar contido nas caixas transparentes.
Realizou ensaios nos cumes de montanhas e nos vales. O seu helio-termmetro est na origem
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dos coletores solares e conseqentemente da tecnologia solar alternativa, descrita pelo fsico
Andr Mouchot (1825-1912) em Chaleur solaire et ses aplications.
O coletor solar um equipamento que capta a energia irradiada pelo Sol e converte
esta energia em calor til. um tipo especial de trocador de calor, pois a maioria dos trocadores
de calor realiza a transferncia de calor de fludo para fludo, com alta taxa de transferncia,
pouco importando a parcela radiante. J no coletor solar a transferncia de energia ocorre entre
uma distante fonte de energia radiante e um fludo.
Existem dois tipos de coletores, os coletores de concentrao e os coletores planos. O
coletor de concentrao utilizado para atingir temperaturas mais elevadas, seu princpio de
funcionamento baseia-se em focalizar a energia radiante para um absorvedor, utilizando uma
lente de Fresnel ou um espelho parablico. Estes coletores conseguem atingir temperaturas
elevadas, pois concentram a energia proveniente do Sol no absorvedor que apresenta uma rea
reduzida o que diminui as perdas trmicas. Para que a energia radiante seja focalizada no
absorvedor necessrio que os coletores acompanhem o movimento aparente do sol, requerendo
um dispositivo motorizado de rastreamento do sol. Este dispositivo caro, complexo e exige
manuteno.
Coletores solares planos so geralmente utilizados em aplicaes que requerem um
fornecimento baixo de energia para atingir temperaturas inferiores a 100C. So considerados
equipamentos simples do ponto de vista de fabricao e quase no requerem manuteno, por
no apresentarem partes mveis. A placa absorvedora a prpria superfcie que recebe radiao.
constitudo por uma placa absorvedora, tubulao por onde escoa o fludo que ir trocar calor,
cobertura transparente e isolamento trmico.
Quando a radiao incide no coletor, boa parte da mesma atravessa a cobertura, uma
parte menor refletida e outra absorvida pela cobertura. A maior parte da frao que
atravessou a cobertura absorvida pela placa absorvedora, de cor preta e de material bom
condutor de calor, esta emite radiao em uma faixa de comprimentos de onda maiores que a da
radiao incidente, devido a baixa temperatura em que se encontra. Para esta faixa de
comprimentos de onda a cobertura, geralmente vidro, opaca e no deixa passar a energia
radiante. A cobertura ento absorve esta energia e emite novamente, causando efeito estufa. A
energia absorvida pela placa removida pelo fludo que escoa no interior dos tubos, que esto
em contato trmico com a placa absorvedora. O fludo, geralmente gua (no Brasil), circula por
termossifo at um reservatrio trmico, onde a energia ser armazenada.
O coletor plano apresenta uma srie de vantagens sobre os coletores de concentrao,
tais como:
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- Simplicidade de construo;
- Relativo baixo custo;
- Baixa manuteno;
- Facilidade de operao em dias nublados;
- Alta durabilidade
Zilles (1987) realizou ensaios experimentais, no Laboratrio de Energia Solar da
UFRGS, comparando testes de coletores solares planos, atravs da determinao da eficincia
trmica instantnea em regime quase permanente. Foram comparados os resultados dos ensaios
realizados com simulador solar e com radiao solar. Os ensaios realizados com radiao solar
utilizaram a mesma bancada de testes, Aquaterm ws83, que a utilizada para determinar a
eficincia trmica instantnea dos coletores utilizados nesta tese. O mtodo de determinao da
eficincia instantnea assim como outras normas internacionais so apresentadas. Os resultados
permitiram obter uma correlao entre os ensaios indoor com os outdoors. A utilizao do
mtodo indoor para efetuar testes em coletores, permite o levantamento dos pontos nas
condies prescritas na norma, em apenas 8 horas, tornando-se rpida a caracterizao do
coletor.
Marroquin (1989) efetuou ensaios experimentais de diversos tipos de coletores,
variando parmetros de geometria e materiais. Com o resultado destes testes experimentais
validou um programa de computador desenvolvido por ele para determinar a eficincia
instantnea de coletores em funo de materiais. Utilizou diversos materiais tais como: cobre,
alumnio, ferro em diversas espessuras, variou a quantidade de tubos assim como o espaamento
entre eles com o intuito de determinar a melhor relao de custo/benefcio dos coletores. O
programa calcula a curva da eficincia trmica instantnea dos coletores utilizando a teoria de
Hottel, Whillier e Bliss mencionada por Duffie e Beckman (1991) e fornece uma relao de
custo/benefcio. alimentado por dados de geometria do coletor e caractersticas dos materiais
utilizados.
Mveh (1999) realizou testes experimentais de coletores solares sem cobertura
analisando a influncia do vento sobre a eficincia dos mesmos. Estes ensaios foram realizados
no Laboratrio de Energia Solar da UFRGS utilizando a mesma bancada de teste utilizada por
Zilles, Marroquin e nesta tese. Tambm se efetuou a comparao entre os resultados
experimentais e os tericos, obtidos seguindo-se os modelos matemticos propostos por Sharples
e Charlesworth (1998). Os resultados desta comparao mostraram-se bastante satisfatrios.
Verificou-se, como era esperado, que a ao do vento sobre coletores solares sem cobertura
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diminui eficincia dos mesmos e que no exerce tanta influncia quando o coletor possui
cobertura de vidro.
Costa (2002) investigou os limites de aplicabilidade de coletores sem cobertura para
aquecimento de gua domstica, utilizando um procedimento de clculo do comportamento
trmico do sistema para dias tpicos em cidades de diferentes climas. Utilizando a bancada
Aquaterm ws 83 caracterizou o coletor em estudo (sem cobertura) obtendo a curva de eficincia
trmica instantnea do mesmo, para duas faixas de velocidade de vento. Efetuou simulaes com
os dados do coletor em diversas cidades e comparou os resultados obtidos com coletores com
cobertura. Concluiu que a utilizao de coletores solares sem cobertura interessante em
localidades cuja temperatura mdia seja superior a 20 C, pois a ao do vento sobre os coletores
sem cobertura, em temperaturas inferiores a indicada, aumentam demasiadamente as perdas
trmicas.
2.5.2 Reservatrios Trmicos
Uma limitao do uso de energia solar para aquecimento de gua para banho a
defasagem entre a disponibilidade da energia e a hora do consumo. Devido a esse fato torna-se
necessria a utilizao de um reservatrio de armazenamento isolado termicamente, o que
diminui a eficincia do sistema.
Os reservatrios podem ser de dois tipos: os fechados ou pressurizados e os
reservatrios abertos ou no pressurizados. Os reservatrios fechados trabalham sob presso
acima da atmosfrica, geralmente pressurizados por uma caixa de gua mais elevada, que
proporciona a alimentao do sistema. J os reservatrios abertos trabalham nivelados com outra
caixa dgua ou, por um sistema de bia, recebem alimentao de outra caixa em nvel superior
ou diretamente da rua. Os reservatrios abertos trabalham sempre em presso atmosfrica
independente da forma de alimentao. Os reservatrios utilizados nesta tese so do tipo aberto
com alimentao por uma caixa dgua nivelada com o reservatrio.
ASHRAE (1996) afirma que o projeto e seleo do equipamento de armazenamento
um dos elementos mais negligenciados nos sistemas de energia solar, alm de recomendar o
uso de reservatrios na vertical, pois dessa forma propicia a estratificao trmica.
Muitos autores recomendam que seja utilizado um reservatrio de volume
proporcional rea de coletores solares utilizada. Esta proporo est entre 50 e 100 litros por
metro quadrado de coletor. Neste trabalho esta proporo ultrapassada uitilizando-se uma
relao de 330 litros por metro quadrado de coletor. A relao entre 50 e 100 l/m foi estipulada
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com base numa metodologia de dimensionamento que utiliza energia eltrica como fonte de
energia auxiliar. Na metodologia proposta, utiliza-se gs e, devido ao seu relativo baixo custo,
aumenta-se a parcela em que o gs contribui para o aquecimento da gua do sistema.
Segundo Krenzinger (2002), em sistemas de aquecimento solar usual utilizar um
reservatrio com um volume de aproximadamente o dobro do volume de gua quente a ser
consumido em um dia. Nesta hiptese est includa uma temperatura relativamente alta (em
torno de 60 a 70C).
No modelo proposto neste trabalho o volume deve ser maior para trabalhar com
temperaturas mdias mais baixas. Uma anlise simples demonstra que reservatrios maiores so
energeticamente mais favorveis, relativamente, que reservatrios menores, levando em conta
que a rea aumenta com o tamanho do reservatrio, mas o volume aumenta proporcionalmente
mais (rea aumenta com o quadrado e volume com o cubo da dimenso).
Considere-se um reservatrio cilndrico vertical isolado, com um coeficiente de
transferncia de calor U independente da superfcie analisada (topo, fundo e lateral tem o mesmo
coeficiente) e com raio R e altura H. A rea calculada como A=(2R+2RH) e considerando Tq a temperatura da gua interna (uniforme) e Ta a temperatura exterior, o fluxo de calor total
pelas paredes do reservatrio seria q=UA(Tq-Ta). Por outro lado usando a temperatura ambiente
como referncia, verifica-se que a energia armazenada pode ser expressa pela equao 2.1:
( )aqpa TTcVQ = (2.1)
onde V o volume (RH), a massa especfica da gua na temperatura Tq, cp o calor especfico da gua na temperatura Tq. Logo, pode-se definir M=Qa/q como uma figura de mrito
diretamente proporcional qualidade proporcionada pela forma do acumulador. Quanto maior M
tanto melhor seria o reservatrio.
Fixando a razo de aspecto do reservatrio de forma que H=3R, pode-se verificar
que:
U
RcM p
83 = (2.2)
indicando a vantagem de reservatrios maiores. Para manter a quantidade de calor e ainda
aumentar o volume, a temperatura de acumulao seria mais baixa. Este valor de temperatura,
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entretanto no pode baixar de um valor mnimo (45C) sob pena de no atender qualidade da
demanda.
Segundo Shah et al (2003), a estratificao trmica em sistemas de aquecimento de
gua com energia solar que utilizam acumulao (a grande maioria), o fator de maior influncia
na eficincia destes sistemas. Dependendo da geometria do reservatrio (altura principalmente) e
das vazes de entrada e sada dos reservatrios pode ocorrer a desestratificao trmica. O autor
sugere a utilizao de difusores nas entradas e sadas dos reservatrios assim como vazes baixas
para evitar a formao de jatos que so capaze