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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: CONVERSÃO DE ENERGIA I SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR Análise Econômica da Substituição do Chuveiro Elétrico por um Coletor Solar. DERICK ARAUJO MEDEIROS Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro BELO HORIZONTE, NOVEMBRO DE 2014 INTRODUÇÃO Análise de Investimento de Aquecedor Solar para Aquecimento de Água Como mais uma forma alternativa de geração de energia, os aquecedores solares vem ganhando espaço no mercado e na casa das pessoas. De acordo com estudos, Belo Horizonte tem cerca de um milhão de metros quadrados de coletores solares, sendo em quase sua totalidade para aquecimento de água, mas em percentual não chega perto de países como Israel e Chipre. Apesar de ser ecologicamente correto, e usar efetivamente energia térmica para gerar calor, a maior motivação dos belorizontinos é basicamente econômica, em decorrência das altas tarifas e impostos da energia elétrica da CEMIG. Este trabalho visa analisar diferentes equipamentos disponíveis no mercado (desde o aquecedor mais simples ao mais complexo), a relação custo/benefício, tempo de retorno do investimento e manutenção de um sistema para aquecimento de água para uma casa de quatro pessoas. AVALIAÇÃO DO LOCAL E MORADORES Local: Rua Fernão Dias, 765 - Casa – Alto Vera Cruz Altitude no telhado: 865m Posicionamento do Telhado: O telhado basicamente tem a sua inclinação voltada para o sul, porém, por ter inclinação de somente (5,0±1,0)°, é facilmente adaptável, e o ângulo em relação ao norte geográfico é de (12±1,0)°. Mais detalhes no anexo I, e fotos abaixo. Moradores da casa: O tempo médio de banho é de 9min., e será considerado um banho a mais durante o dia, ou seja, 5 banhos. Análise dos moradores da casa: 4 Moradores Média de tempo de Chuveiroligado (5 banhos em minutos) Morador 1 – Zeni – mãe 8 Morador 2 – Derick – eu 12 Morador 3 – Batista – pai 9 Morador 4 – Bruno – irmão 13 Banho Extra 12 Total 54 Vazão de Água: A vazão atual é de um chuveiro elétrico, de 4-5L/min (quente). Porém, foi acordado entre os moradores uma vazão confortável para banho, com consciência que a conta ficaria mais cara, e medida num balde de 20L, e foi próxima de 7,0 L/min. Boiler: 54minx 7,0L/min = 378L. O Boiler comercial tem o tamanho de 400L, o que nos dá uma certa folga para um banho com mais água ou mais tempo, além é claro que há uma mistura de água quente com água fria. SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA Os coletores analisados foram das seguintes formas: Estrutura metálica: A estrutura metálica para os coletores será de alumínio, e será dobrada e rebitada ao telhado, com as devidas vedações (não representado nos desenhos da próxima página). Por outro lado, o reservatório e a caixa d’água receberão uma estrutura em aço, devido à carga necessária para suportá-los e a facilidade de encontrar estas estruturas. Bomba: Foi dispensado o uso de bomba (foto ao lado de um tipo de bomba comumente usado) porque o valor de uma bomba supera, inclusive, a estrutura metálica necessária para se fazer o mecanismo termo- sifão. A bomba foi cogitada pois o aumento da altura da caixa d’água poderia comprometer o abastecimento da distribuidora, tendo em vista que a casa está numa parte alta da cidade. Bloqueador de Ar: Será, analisado, posteriormente, o uso de um bloqueador de ar próximo ao hidrômetro (como na figura ao lado, pois a caixa muito alta pode provocar passagem de ar na tubulação (e é cobrado pela distribuidora), informação dada pela empresa de bloqueadores de ar. Válvula ON/OFF: Uma válvula automática para fechar o fluxo de água para o reservatório durante a noite foi cogitada, para fechar o sistema e impedir que água fria se misture à água quente do reservatório, mas não foi sugerida por nenhuma das empresas consultadas, e criaria uma dificuldade de ligação elétrica sobre o telhado. Chuveiro Eletrônico: Será adquirido um chuveiro eletrônico no que tange à otimizar o aquecimento da água em casos de necessidade. Concorrência: O principal concorrente do aquecedor solar é ele próprio, por exigir alto investimento inicial, e hoje há várias soluções baratas de aquecimento, como o aquecedor a gás, seja GLP ou Gás Natural, o chuveiro com pré-aquecedor via serpentina e o modelo eletrônico, por exemplo; Coletor a vácuo: Em decorrência da dificuldade de manutenção e as altas temperaturas (que pode por em risco alguém da casa que abra o registro com água quente primeiro), optamos por outro tipo de coletor, mas também foram cotados. Coletor Vertical: Como o telhado tem baixa inclinação, a casa está num local alto da cidade (é possível identificar na foto da página anterior) e a vazão que chega na caixa atualmente já é muito baixa, foram consultados profissionais da área e, portanto, nos foi sugerido o uso do coletor horizontal, para não precisar de colocar a caixa d’água tão alto. Nesta configuração a caixa ficaria mais alta que qualquer coletor horizontal, motivo este que nos levou a optar pelo coletor horizontal. Coletor Horizontal: Com o coletor horizontal, reduzimos em 60cm a altura da caixa, conforme desenho do telhado abaixo, realizado no Google Sketchup. AVALIAÇÃO ECONÔMICA Custos de Capital: A família possui o valor para investir num aquecedor em dinheiro, em espécie, guardado na poupança. Consumo do chuveiro Mês kwh Preço/ Kwh Tempo (h) Média de potência x tempo Dias Consumo do chuveiro (Kwh) Custo do Chuveiro fev/14 207 0,602 0,90 4,050 28 113,40 R$ 68,27 mar/14 196 0,601 0,90 4,050 31 125,55 R$ 75,48 abr/14 194 0,600 0,90 4,050 30 121,50 R$ 72,88 mai/14 225 0,602 0,90 4,950 31 153,45 R$ 92,38 jun/14 209 0,603 0,90 4,950 30 148,50 R$ 89,60 jul/14 250 0,610 0,90 4,950 31 153,45 R$ 93,62 ago/14 221 0,605 0,90 4,950 31 153,45 R$ 92,79 set/14 213 0,603 0,90 4,050 30 121,50 R$ 73,24 out/14 233 0,601 0,90 4,050 31 125,55 R$ 75,43 Média 216,44 0,603 0,90 4,45 30,33 135,15 R$ 81,49 Foram usados uma média de potência de 4,5kW para usos predominantes no morno e 5,5kW para usos predominantes no quente. Modelo: Lorenzetti Maxi 5500W Orçamentos Realizados ASOL (a VÁCUO) CASA DOS AQUECEDORES CRONOS SOL&AR MUNDO ÁGUA ENALTER CHINÊS KOMECO TRANSSEN TUMA ENALTER R$ 3.750,00 R$ 2.210,00 R$2.900,00 R$ 2.700,00 R$ 3.000,00 Formas de Pagamento EMPRESA A vista Divide À prazo Empréstimo 12x (1,4% a.m) AQSER (a VÁCUO) R$ 3.187,50 10x R$ 3.750,00 R$ 4.430,85 Casa dos Aquecedores R$ 2.154,75 3x R$ 2.210,00 R$ 2.611,25 CRONOS R$ 2.697,00 6x R$ 2.900,00 R$ 3.426,52 SOL&AR MUNDO ÁGUA R$ 2.565,00 6x R$ 2.700,00 R$ 3.190,21 ENALTER R$ 2.820,00 6x R$ 3.000,00 R$ 3.544,68 Somente as duas primeiras empresas enviaram cotação física, outras três informaram as condições através de ligação telefônica. Manutenção Muito provavelmente o aquecedor será adquirido da empresa Cronos ou Enalter, que ofereceram garantia de 5 e 10 anos, respectivamente, quanto ao funcionamento e, inclusive, a empresa Cronos garantiu a troca dos vidros (uma vez) numa possível quebra em decorrência de chuva de granizo dentro deste tempo. Consumo de Água Consumo de Água mês L/dia chuveiro dias Consumo Mínimo 6 a 10 m³ 10 a 15 m³ Valor da Conta fev/14 392 230 28 10976 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 8,77 R$ 55,00 mar/14 366 230 30 10980 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 8,81 R$ 55,04abr/14 413 230 29 11977 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 17,77 R$ 64,00 mai/14 333 230 33 10989 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 8,89 R$ 55,12 jun/14 413 230 29 11977 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 17,77 R$ 64,00 jul/14 366 230 30 10980 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 8,81 R$ 55,04 ago/14 375 230 32 12000 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 17,98 R$ 64,21 set/14 413 230 29 11977 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 17,77 R$ 64,00 out/14 366 230 30 10980 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 8,81 R$ 55,04 Média 381,89 230 30 11426,22 R$ 27,73 R$ 18,50 R$ 12,82 R$ 59,05 Novo Consumo Esperado L/dia chuveiro dias Consumo Mín.+ 6a10m³ 10 a 15 m³ Valor da Conta Diferença Médias 529,89 378 30 15896,67 R$ 46,23 R$ 53,01 R$ 99,24 +R$ 40,19 Energia Nas consultas realizadas às empresas, foi garantido que ao longo do ano estes sistemas garantem economia de 90% de energia elétrica, isto é, haveria um custo mensal de aproximadamente R$6,00 com aquecimento de água pelo chuveiro eletrônico. Novo Consumo Economia Real das Novas Contas* Luz Água ANTES R$ 130,51 R$ 58,81 DEPOIS R$ 49,02 R$ 99,24 SUBTOTAL -R$ 81,49 +R$ 40,43 TOTAL -R$ 41,06 *A TARIFA DA CEMIG MUDA CONFORME O CONSUMO, E TALVEZ MAXIZARIA AINDA MAIS ESTA ECONOMIA. Tempo de Retorno Tempo de Retorno em meses À vista À prazo Empréstimo AQSER (a VÁCUO) 77,18 90,80 107,28 Casa dos Aquecedores 52,17 53,51 63,23 CRONOS 65,30 70,22 82,97 SOL&AR MUNDO ÁGUA 62,11 65,38 77,24 ENALTER 68,28 72,64 85,83 Diante do exposto, concluímos que demora de 4 a 9 anos para recuperar o investimento. Porém, com a crescente demanda de energia elétrica por termoelétricas, as tarifas tendem a crescer mais na energia do que na água, o que logicamente reduz o tempo de retorno. Além disso, não é certo que o consumo de água aumente tanto na residência, e se não fosse considerado, cairia pela metade o tempo de retorno. Julgando as empresas, a Cronos e a Enalter passaram muita credibilidade em todos os serviços e, particularmente, escolheria a Cronos por já ter trabalhado lá. Acredito que não é tão viável quanto eu esperava, mas o conforto que um “banho de aquecedor” proporciona com certeza é algo interessante, e não me preocuparia tanto com o tempo de retorno se tenho a oportunidade de colocar um sistema dessa qualidade em minha casa. Aspectos Construtivos A foto da esquerda representa a altura do telhado até a espera, isto é, são aproximadamente 4,7m de queda d’água até a espera. A foto da direita, na página anterior representa a espera em CPVC colocada do lado de fora da casa. Como a reforma já foi feita pensando num aquecedor, não foi possível levantar o preço exato da obra. Mas julgando os preços praticados, foi estimado um custo de R$300,00 de alvenaria e acabamento, e cerca de R$300,00 de mão de obra, isto é, para quebrar a parede, trocar a tubulação, trocar os registros e refazer como era. Quanto ao posicionamento dos coletores no telhado, serão feitos conforme esquema abaixo, já mostrado em imagem anterior: Por último, gostaria de agradecer a oportunidade de fazer este estudo através da matéria de Conversão de Energia I, pois será muito útil para minha casa. Anexo I – CONTATOS REALIZADOS COM AS EMPRESAS Email enviado às empresas: Conforme conversado, solicito cotação de um aquecedor de preferência com coletores horizontais (preciso de horizontais porque a caixa d'água teria que ficar muito alta e a pressão que chega da rede já é baixa), A inclinação do telhado - zinco - é 5° voltado para o sul (o coletor teria que ficar a 35°) e 12º oeste - em relação ao norte geográfico. O reservatório será de 400L (média de 4/5 banhos por dia). A tubulação de espera está em CPVC 22mm, e o restante será de cobre (caso julguem que do reservatório até a espera também pode ser de CPVC, dá um total de 12m e 6 joelhos), mas gostaria que a tubulação entre os coletores e o reservatório fosse de cobre. O total seria de 22 a 25m de tubulação de cobre (já com os respiros) e cerca de 14 joelhos. Se uma parte for em CPVC cai para 8 joelhos de cobre e 10 a 13m de tubulação de cobre. Gostaria que cotassem também com as válvulas necessárias, o isolamento térmico e também a mão de obra, juntamente com as condições de pagamento (à vista e à prazo). Não será necessário apoio (nem ligar resistência ou aquecedor a gás, pois colocarei um chuveiro eletrônico na ponta). Se vocês trabalharem com o chuveiro eletrônico, gentileza incluir uma sugestão também. ANEXO II – Gráficos representando o Azimute, Coordenadas e Incidência Solar ANEXO III - Análise de um Aquecedor a Gás Redução de Custos Aquecedor a Gás Bosch Gás 8L/min Tarifa Tempo período Custo Redução GLP 0,94 kg/h R$ 3,50 0,9 30,33 R$ 89,81 -10,20% GN 1,17 m³/h R$ 2,60 0,9 30,33 R$ 83,04 -1,90% Gás 5L/min Tarifa Tempo período Custo % redução GLP 0,59 kg/h R$ 3,50 0,9 30,33 R$ 56,13 31,12% GN 0,73 m³/h R$ 2,60 0,9 30,33 R$ 51,90 36,32% Retorno do Investimento por Marca Aquecedor Preço Encontrado do Aquecedor Economia Média Mensal Tempo de Retorno (meses) Bosch R$ 499,00 R$ 27,48 18,16 Rinnai R$ 699,00 R$ 31,60 22,12 Komeco R$ 442,00 R$ 26,38 16,76 Lorenzetti R$ 374,00 R$ 23,36 16,01 Considerando um consumo de água idêntico, o aquecedor a gás reduziria em pelo menos 31% os custos com aquecimento, além é claro de proporcionar um banho mais gostoso, e o tempo de retorno é muito mais atrativo. Os aquecedores a gás tem ganhado espaço no mercado, sobretudo em apartamentos. A economia que eles proporcionam é menos da metade que o aquecedor solar, porém, rapidamente é recuperado e a maioria das vezes requer uma alvenaria muito mais simples e sem transtornos, como o caso dos apartamentos com Gás Natural. Esta tem sido uma propaganda muito forte da GASMIG que eu, como funcionário, tenho participado. Anexo IV – Funcionamento de um Aquecedor Solar Um sistema básico de Aquecimento de água por Energia Solar é composto de coletores solares (placas) e reservatório térmico (Boiler). As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. O calor do sol, captado pelas placas do aquecedor solar, é transferido para a água que circula no interior de suas tubulações de cobre. O reservatório térmico, também conhecido por Boiler, é um recipiente para armazenamento da água aquecida. São cilindros de cobre, inox ou polipropileno, isolados termicamente com poliuretano expandido sem CFC, que não agride a camada de ozônio. Desta forma, a água é conservada aquecida para consumo posterior. A caixa de água fria alimenta o reservatório térmico do aquecedor solar, mantendo-o sempre cheio. Em sistemas convencionais, a água circula entre os coletores e o reservatório térmico através de um sistema natural chamado termossifão. Nesse sistema, a água dos coletores fica mais quente e, portanto, menos densa que a água no reservatório. Assim a água fria “empurra” a água quente gerando a circulação. Esses sistemas são chamados da circulação natural ou termossifão. A circulação da água também pode ser feita através de motobombas em um processo chamado de circulação forçada ou bombeado, e são normalmente utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes. O Coletor Solar Quando os raios do sol atravessam o vidro da tampa do coletor , eles esquentam as aletas que são feitas de cobre ou alumínio e pintadas com uma tinta especial e escura que ajuda na absorção máxima da radiação solar. O calor passa então das aletas para os tubos (serpentina)que geralmente são de cobre. Daí a água que está dentro da serpentina esquenta e vai direto para o reservatório doaquecedor solar . Os coletores são fabricados com matéria-prima nobre, como o cobre e o alumínio. Recebem um cuidadoso isolamento térmico e ainda vedação com borracha de silicone. Eles, têm cobertura de vidro liso e são instalados sobre telhados ou lajes, sempre o mais próximo possível do reservatório térmico. O número de coletores a ser usado numa instalação depende do tamanho do reservatório térmico, mas pode também variar de acordo com o nível de insolação de uma região ou até mesmo de acordo com as condições de instalação. O Reservatório Térmico O reservatório térmico é como uma caixa d’água especial que cuida de manter quente a água armazenada no aquecedor solar . Esses cilindros são feitos de cobre, inox, ou polipropileno e depois recebem um isolante térmico. A maioria dos modelos de reservatório térmico da vem com sistema de aquecimento auxiliar elétrico, mas podem ser fabricados com sistema auxiliar a gás ou até mesmo sem esse recurso. Os modelos de reservatórios térmicos variam de 100 a 20 mil litros. O tamanho do reservatório térmico, ou seja, o volume de água que ele é capaz de armazenar, é calculado pelos técnicos da depois que o usuário responde a uma série de questões. NO dimensionamento do aquecedor solar é preciso saber quantas pessoas vão usar o sistema diariamente, a duração média e a quantidade de banhos diários, quantos serão os pontos de uso de água quente, ou a dimensão da piscina, e assim por diante. O Sistema Auxiliar de Aquecimento Para garantir que nunca haverá falta de água quente, todo Aquecedor Solar traz um sistema auxiliar de Aquecimento. E quando o tempo fica muito nublado ou chuvoso por vários dias, ou quando a casa recebe visitas e o número de banhos fica acima do dimensionamento inicial, o sistema auxiliar - que pode ser elétrico ou a gás - entra em ação. Ou você pode usar o chuveiro elétrico normalmente, sem complicações. Mas a verdade é que com o nível de insolação do Brasil, o sistema auxiliar de Aquecimento é acionado apenas poucos dias por ano.
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