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TRABALHO CONVERSÃO DE ENERGIA I - Análise de Investimento de Aquecedor Solar

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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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