Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
25 e 26 de setembro de 2012
ANÁLISE DE DEMPENHO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO
CUSTO: RESERVATÓRIO TÉRMICO ALTERNATIVO
Danilo Rezende Bortoletto
Faculdade de Engenharia Civil
CEATEC
[email protected]
Resumo: A utilização da energia solar em sistemas
de aquecimento de água residencial representa tanto
uma economia de energia elétrica para o consumidor
final, como a conscientização da importância do
incentivo do uso de fontes renováveis, menos
poluente e gratuita.
Um exemplo prático é o
aquecedor solar de baixo custo, representado tanto
pelo baixo custo dos materiais constituintes como
pela simplificação do seu processo de montagem e
instalação. Neste sentido, este estudo integrado ao
projeto FINEP/CT HIDRO (sub projeto de pesquisa
Aproveitamento de Energia para o Aquecimento de
Água em Edificações) apresenta como principal
objetivo verificar a eficácia de utilização de um
reservatório térmico alternativo em um aquecedor
solar. Para tanto, foi desenvolvido um reservatório
térmico alternativo com o objetivo de obter uma
eficácia similar a um boiler utilizado em um
aquecedor solar convencional. O reservatório foi
construído a partir de uma caixa-d’água de 50 litros
de fibra de vidro revestida por placas de EPS de 50
mm O reservatório térmico foi incorporado a um
sistema de aquecimento solar por termossifão com
um coletor solar plano. O protótipo do aquecedor foi
submetido a monitoramento juntamente com um
aquecedor solar convencional, no qual, os dois
sistemas foram conectados a um sistema automático
de aquisição de dados. Os resultados demonstraram
um bom desempenho do reservatório térmico
alternativo.
Palavras-chave: energia solar, aquecedor solar de
baixo custo, reservatório térmico alternativo.
Área do Conhecimento: Engenharias – Engenharia
Civil – Construção Civil.
1. INTRODUÇÃO
O crescimento populacional ocasionado ao decorrer
da evolução humana traz contigo a necessidade do
abastecimento energético em alta escala. As fontes
convencionais comumente utilizadas para o
abastecimento energético apresentam indícios de
extinção, com isso necessita-se de fontes com
Claudia Cotrim Pezzuto
Faculdade de Engenharia Civil
CEATEC
[email protected]
grande potencial energético e de preferência que não
agrida ao meio ambiente.
Segundo o Anuário Estatístico de Energia elétrica o
consumo de energia elétrica residencial e comercial
do ano de 2010 seguiu crescendo com taxas
superiores a 6%. O consumo de energia na rede
elétrica nacional aumentou 8,1% superando 415 tWh,
mais da metade na região Sudeste [1].
Neste sentido, o uso de fontes alternativas como
energia eólica e solar são meios para suprir as
tradicionais fontes energéticas. Uma opção para o
aproveitamento da energia solar é a sua utilização
para aquecimento de água residencial. No Brasil, a
energia solar em aquecedores é usada desde a
década de 60, época em que surgiram as primeiras
pesquisas na área de tecnologia solares [2].
O Sol é uma importante fonte de energia. A radiação
solar a qual a Terra esta submetida é constituída das
componentes direta e difusa. A componente direta
incide diretamente sobre a superfície do solo, sem
sofrer espalhamentos, já a componente difusa pode
ser considerada como a radiação espalhada que vem
de todas partes do céu. A soma destas componentes
constitui a radiação solar global [3]
O aproveitamento de energia solar, dentre muitos
destinos, destaca-se sua transformação em calor,
que é denominada de processos heliotérmicos, este
que pode se dividir em aquecimento de líquidos,
aquecimento
de
processos,
aquecimentos
ambientais, geração de potência, entre outros [3].
O uso de energia solar para aquecimento de água é
uma das formas de aproveitamento deste meio. O
coletor solar plano convencional, dispositivo para
absorver a radiação solar e transferir a energia
térmica ao fluído, é constituído por uma caixa externa
metálica, uma placa absorvedora de alumínio, tubos
de cobre, um isolante térmico e uma placa de vidro
que isola o sistema do meio externo. Estes materiais
otimizam o rendimento do coletor, entretanto, geram
um custo final elevado, fator que dificulta a
propagação deste meio de abastecimento energético
à sociedade.
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Com objetivo de desenvolver aquecedores solares de
baixo custos, estudos são realizados, como Lopo [4],
que
desenvolveu
um
coletor
solar
cujas
características principais são o baixo custo e fáceis
processos de fabricação e montagem. Para o estudo
foi utilizado latas de alumínio recicladas como aletas
e tubos de PVC. No reservatório térmico alternativo
foi utilizado um tambor de polietileno revestido de
placas de EPS como isolante térmico. O sistema se
mostrou eficiente, a temperatura mínima obtida da
água aquecida do coletor foi de 36 °C.
Barcellos et al [5], desenvolveram um sistema por
termossifão composto de uma caixa d’água de 50
litros, um reservatório com isolamento em manta de
lã de vidro com volume de armazenamento de 50
litros e um coletor solar de 1,0 m². Este último sendo
variado em três sistemas com cobertura de vidro
pontilhado, outro com cobertura de plástico e um
sem cobertura. Após monitoramento, observou-se
que o coletor solar com cobertura de plástico
apresentou melhor eficiência comparado com a
cobertura de vidro pontilhado. O coletor sem
cobertura apresentou um bom rendimento, porém a
comparação pode ter sido beneficiada pelo vidro
usado no coletor referência.
Siqueira [6] em estudo apresentou um aquecedor
solar de baixo custo todo feito de materiais
poliméricos. O protótipo de estudo apresenta
características de fácil montagem e investimento
relativamente baixo. Para a placa absorvedora foi
utilizado forro de PVC rígido e placa de polipropileno.
Esta ultima, após os testes apresentou um
desempenho térmico melhor que o coletor com o
forro de PVC. Também foi confeccionado um
reservatório de baixo custo revestido de isopor, que
demonstrou desempenho similar ao convencional
com mínimas perdas de temperatura. Os dois
experimentos mostraram coeficientes térmicos
dentro dos padrões estipulados pela literatura
Dentro deste contexto, a utilização de energia solar
em sistemas de aquecimento de água residencial
representa tanto uma economia de energia elétrica
para o consumidor final, como a conscientização da
importância do incentivo do uso de fontes renováveis,
menos poluente e gratuita.
2. OBJETIVO
Este estudo, integrado ao projeto FINEP/CT HIDRO
no sub projeto de pesquisa Aproveitamento de
Energia para o Aquecimento de Água em
Edificações, foi realizado na Pontifícia Universidade
Católica de Campinas (PUC-Campinas), Campus I,
com o objetivo de verificar a eficácia de utilização de
um reservatório térmico alternativo em um aquecedor
solar.
3. METODOLOGIA
Para o estudo de caso foram desenvolvidos dois
cavaletes de sustentação metálicos (figura 1). Os
cavaletes tem por função posicionar dois sistemas de
aquecimento solar nas cotas e angulação
necessárias para uma circulação natural, sistema por
termossifão . Em um dos cavaletes foi montado um
sistema de aquecimento solar convencional, e no
outro um sistema de aquecimento solar com um
reservatório térmico alternativo. Os cavaletes devido
o fato de estarem posicionados no hemisfério Sul
foram orientados para o norte geográfico. Estudos
indicam também que em sistemas de circulação
natural (termossifão) o coletor deverá ser inclinado
mais 10 º além do ângulo da latitude. O aumento da
inclinação do coletor facilita o início do processo de
termossifão e ainda tem como finalidade compensar
a variação anual da declividade, fazendo com que a
radiação incidente durante todo o ano seja a mais
perpendicular possível [6]. Neste sentido, a placa
coletora foi inclinada no ângulo de 32 º, referenciando
a latitude do experimento, 22 º cidade de Campinas,
acrescido do ângulo de 10º.
No sistema convencional (figura 1) foi utilizado um
coletor solar com dimensões 1,93m x 0,92m e com
altura de 0,55mm, constituído dos seguintes
materiais: caixa externa de galvalume, manta de lã
de rocha, aleta de alumínio pintada de tinta epóxi
preto, tubos de elevação de cobre e como cobertura
vidro liso e incolor. Para armazenamento da água foi
utilizado um Boiler de 200 litros, confeccionado em
chapa de aço inox AISI 316 /304L. As ligações entre
os componentes do sistema foram feitas com tubos e
conexões para água quente.
No cavalete com o sistema em experimento (figura 2)
utilizou-se um coletor com as mesmas características
que o sistema convencional. O boiler foi substituído
por uma caixa d’água revestida por placas de EPS de
50 mm, objeto de estudo. Os tubos de conexões
também foram para água quente de 22 mm.
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Figura 3: Localização dos sensores de temperatura da
água no sistema de aquecimento solar
Figura 1: Aquecedor Convencional
3.1. Detalhamento do reservatório térmico
alternativo
Em um sistema de aquecimento solar de água o
Boiler exerce a função de armazenar a água
aquecida com o mínimo de perdas. Entretanto, é um
componente que encarece o custo do sistema. Neste
sentido, este estudo com o objetivo de diminuir o
custo final do aquecedor solar testou a utilização de
uma caixa d’água de fibra de vidro de 50 litros
revestida de placas de EPS (isopor) com alternativa
ao boiler. O isopor foi escolhido como material
isolante térmico pelo fato de ser um material com
custo baixo e apresentar uma condutividade térmica
baixa, aproximadamente 0,030 a 0,040 W/m°C [7].
Porém, o isopor exposto a ação direta de intempéries
pode apresentar um grande desgaste. Para
aumentar a vida útil do reservatório o isopor foi
revestido de papel contact. O processo de montagem
seguiram as seguintes etapas:
•
Foram feitos quatro furos de 25mm em uma
caixa d’água de 50 litros (figura 6) para
inserção de flanges. Um para a entrada de
água fria da caixa d’-água, o segundo para
saída de água para o coletor, o terceiro para
retorno de água do coletor e por fim, uma
saída para consumo;
•
Corte das placas de isopor de 50 mm de
espessura, de acordo com cada face da
caixa d’-água (figura 5);
Figura 2: Aquecedor com reservatório alternativo
Para o monitoramento da temperatura da água foram
utilizados data logger Hobo U12-006 com sonda
externa TMC20-HD. As sondas para medição da
temperatura da água foram localizadas na entrada e
saída de água do coletor e no reservatório térmico,
conforme ilustrado na figura 3.
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•
Colagem do isopor na caixa (figura 6);
•
Adequação de uma boia invertida para
entrada de água pela parte de baixo da caixa
(figura 7);
•
Revestimento externo ao isopor de papel
contact e finalização (figura 8).
Figura 7: Visão interna do reservatório térmico
alternativo
Figura 4: Caixa d’água 50 litros
Figura 8: Reservatório térmico alternativo em
funcionamento
Figura 5: Placa de EPS em confecção
4. ANÁLISE E RESULTADOS
Os experimentos foram realizados no período do
inverno de 2012. Para as análises foram
considerados dois dias de medições, em condições
estáveis e sem precipitação. Os dois aquecedores
registraram a temperatura da água de entrada no
coletor, saída do coletor e dentro do reservatório
térmico a cada cinco minutos. Para esta analise
foram considerada a média do período.
O objetivo desta análise foi comprovar que o
reservatório térmico isolado termicamente por placas
de EPS pode armazenar a água aquecida durante o
dia a uma temperatura superior a 38°C, temperatura
máxima para um banho quente, durante o período
noturno e o começo da manhã.
Figura 6: Caixa d’água em processo de
revestimento
A figura 9 demonstra as temperaturas médias para
cada horário de medição no período de coleta no
protótipo do aquecedor com reservatório térmico
alternativo. No período de medição a temperatura de
saída do coletor e a temperatura no reservatório se
mostraram superiores à temperatura fria na entrada
do coletor. A maior temperatura registrada na saída
do coletor foi de 81,53 °C, comparada com 69,95 °C
no reservatório térmico alternativo. Analisando a
variação da temperatura de entrada e saída do
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coletor no intervalo em que a radiação proporcionou
um aumento na temperatura observa-se uma
variação média no intervalo de 17°C. No período
noturno, intervalo em que o reservatório é mais
exigido,
o
mesmo
demonstrou
um
bom
comportamento, registrando a menor temperatura da
água
Figura 10: Temperatura média da água, protótipo
convencional. Período de coleta
Figura 9: Temperatura média da água, protótipo
alternativo. Período de coleta
Diferente do comportamento esperado, o aquecedor
convencional demonstrou um comportamento com
um rendimento inferior ao protótipo do aquecedor em
experimento (figura 10). Enquanto o protótipo
apresentou 81,53°C de maior temperatura, no
aquecedor convencional registrou-se 55,98°C. O
calor transferido ao sistema não foi suficiente para
estabelecer um aumento da temperatura da água no
boiler, no período noturno, superior a temperatura
ideal para um banho quente. Este comportamento
deve-se levar em conta o fato do protótipo estar
conectado a um reservatório térmico de 50 litros e o
aquecedor convencional a um boiler de 200 litros.
Além disto, o aumento de 10° à inclinação do coletor
diminuiu a distância entre coletor e boiler,
ocasionando uma distância inferior a mínima
necessária para a boa circulação do fluído por
termossifão.
A figura 11 expôe claramente o registro superior de
temperaturas no reservatório térmico alternativo
comparado com o boiler convencional. As
temperaturas da água no reservatório alternativo no
período de monitoramento foram a todo momento
superiores a temperatura máxima para um banho
quente ideal. Entretanto, as temperaturas da água no
boiler foram, na maior parte do intervalo, inferiores
tanto para a temperatura do banho, como quando
comparada com a temperatura do reservatório
alternativo. Ressalta-se que este comportamento
inesperado do boiler, provavelmente, foi devido ao
fato do protótipo estar conectado a um reservatório
térmico de 50 litros e o aquecedor convencional a um
boiler de 200 litros, como descrito anteriormente.
Provavelmente em outras condições, o boiler iria
cumprir seu desempenho normalmente. De qualquer
forma, verifica-se uma semelhança na curva diária
de temperatura da água entre o reservatório
alternativo e o boiler, mesmo apresentando
temperaturas distintas.
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REFERÊNCIAS
[1] EPE.(2011) Anuário Estatístico de energia
elétrica.
Disponível
em:
<
http://www.epe.gov.br/AnuarioEstatisticodeEnergi
aEletrica/Forms/Anurio.aspx>. Acesso em: 04
abril 2012.
[2] ANEEL (2006) Agência nacional de energia
elétrica. Site: http://www.aneel.gov.br..
Figura 11: Temperatura média da água, protótipo
convencional e alternativo Período de coleta
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Infere-se, a partir das análises, que o reservatório
alternativo apresentou um bom desempenho e uma
possibilidade de alternativa em substituiçao ao boiler
para diminuição do custo final. Ressalta-se que o
baixo
desempenho
do
boiler
convencional
apresentado nas análises deve-se ao fato de
algumas variáveis específicas desta pesquisa.
A confecção do reservatório alternativo obteve um
custo final significativamente inferior ao boiler,
podendo variar de acordo com as marcas e locais da
aquisição dos materiais, além disto, o reservatório
pode ser feito manualmente.
Conclui-se ainda que para aumentar a vida útil do
reservatório é ideal o revestimento com materiais
que suporte a ação de intempéries.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao PIBITI/CNPq pela bolsa
de Iniciação Tecnológica e á FINEP pelo
financiamento desta pesquisa, através do projeto
FINEP/CT HIDRO.
[3] Coimbra, N., Azambuja, C., Dalmas, T., Coelho,
L. (2008) Eficiência Térmica de Coletor Solar de
Baixo Custo. 14p. Relatório de Trabalho de
Conclusão,disciplina de Medições Térmicas –
ENG03108 – Faculdade de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande
do Sul, Porto Alegre.
[4] Lopo, Alexandre Boleira.(2010) Análise do
desempenho térmico de um sistema de
aquecimento solar de baixo custo. 82 f. Tese
(Mestrado) – Faculdade de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, Natal.
[5] Barcellos, A. L. JR., Medeiros, F. H. C., Notomi,
E. H., Mendes, N., Moura, L. M. (2003) Analise
Experimental de coletores Solares Planos para
Aquecimento de Água em edificações. In:
ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO DO
AMBIENTE CONSTRUÍDO- ENCAC, CuritibaPR. Encontro Nacional de Conforto Ambiente
Construído,p. 952-959.
[6] Siqueira, D. A. (2009) Estudo de desempenho do
aquecedor solar de baixo custo. 125 f. Tese
(Mestrado) – Faculdade de Engenharia Química,
Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia.
[7] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. (2007) ABNT NBR 11752: Materiais
celulares de poliestireno para o isolamento
térmico na construção civil e
refrigeração
industrial.