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DIMENSIONAMENTO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA
               FEITO COM GARRAFAS PET

                   PEDRO HENRIQUE FONSECA BERTOLETI
         Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá
                       TEÓFILO MIGUEL DE SOUZA
         Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá


Este trabalho apresenta o aquecedor solar de água feito com garrafas PET, de simples
construção, que busca dar duas grandes soluções, como o aquecimento de água utilizando a
energia solar e reutilização das garrafas PET jogadas no ambiente. Além disso, será mostrado
como dimensioná-lo. A partir dos cálculos de dimensionamento foi montada uma aplicação /
software e, em seguida, foram feitas simulações para prever o quanto de economia este tipo de
aquecedor solar de água fornece e qual sua contribuição ao meio ambiente com a reutilização de
garrafas PET jogadas no ambiente.Em uma residência, por exemplo, a economia pode ser de 45%
na conta de energia elétrica considerando apenas a utilização da água aquecida para banho.
Logo, vê-se que o aquecedor solar de água feito com garrafas PET é um equipamento muito
relevante na utilização da energia solar para trabalho útil e contribuição ao meio-ambiente.

This document show the solar water heater made of PET bottles, a simple-construction solar water
heater that try to give us two important solutions, water heating using solar energy and reutilization
of the PET bottles left in the nature. Also, it will be showed how to do the dimensioning of it. Based
on the showed dimensioning a application / software is developed and after that simulations are
made using the application to provide how is the economy if it’s used this kind of solar water heater
and their environmental contribution by reutilization of the PET bottles abandoned in the nature.
For example, in a common home the economy is about 45% of the electricity bill considering that
the warmed water is used just to take a shower. So, the conclusion is: the solar water heater made
by PET bottles is a very relevant equipment to the use of the solar energy, to useful applications
and environmental contribution.

Introdução

Com a crescente necessidade de energia elétrica, meios que contribuam para a maior
racionalização da energia elétrica consumida são muito relevantes. Além disso, as garrafas PET
jogadas no meio ambiente já são um desafio, pois o tempo de decomposição e danos ambientais
que causam são bem grandes.

Com base nestes dois grandes problemas foi criado o aquecedor solar de água feito com garrafas
PET, que visa utilizar a energia solar para trabalho útil e contribuir para a reutilização das garrafas
PET. Este trabalho define melhor estes aquecedores, mostra como dimensioná-lo de forma rápida
e simples e faz simulações da economia de energia elétrica que se consegue com o uso deste tipo
de aquecedor.
Aquecedor solar de água feito com garrafas PET: vista geral

O aquecedor solar de água feito com garrafas do tipo PET tem o aspecto mostrado na Fig. 1. Este
aquecedor pertence ao Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá




    Figura 1 – aquecedor solar de água feito de garrafas PET do Centro de Energias Renováveis,
                                    UNESP, Guaratinguetá.

Os materiais utilizados são as garrafas do tipo PET, canos do tipo PVC, reservatório (boiler) da
capacidade que se desejar, pasta de silicone para isolar termicamente o fundo e a boca da garrafa
e conexões para os canos PVC. Os canos de PVC são ligados ao reservatório, de modo que
tenha água em seu interior todo o tempo. Um esquema mais genérico de como será o este
aquecedor está na Fig 2. Apesar de estar apresentado o esquema de um aquecedor solar de água
utilizando coletores convencionais, basta substituir os coletores normais pelas garrafas PET,
conforme a Fig. 1, para se ter um esquema geral do aquecedor solar de água feito com garrafas
PET.




 Figura 2 – Esquema geral de um aquecedor solar de água. Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar celi
 efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Sydney, v. 8,
                                    p. 377-384, 2000 (Adaptado).

Para a maximização do aquecimento recomenda-se pintar a parte externa dos canos de PVC que
passam dentro das garrafas PET de tinta preta fosca.

Funcionamento

O funcionamento deste tipo de aquecedor de água baseia-se no efeito estufa. Ao incidir sobre as
garrafas PET, os raios solares e o ambiente interno das garrafas aquecem o cano de PVC
Na reflexão, uma considerável parcela de infravermelho fica retido no interior da garrafa, de modo
que o interior da garrafa PET funcione como um armazenador temporário de calor, deixando o
interior da garrafa PET aquecido, mostrado pela Fig. 3, calor este transmitido aos canos PVC e
conseqüentemente para a água em seu interior, criando uma corrente de convecção. Assim, a
água aquecida, mais leve, circula de modo a subir para o reservatório, enquanto a água mais fria
desce para a parte inferior, sendo posteriormente aquecida.




    Figura 3 – em (a) os raios solares incidem sobre as garrafas PET e (b) mostra a retenção da
      parcela de infravermelho dentro da garrafa, fazendo-a armazenar calor temporariamente.

Porque utilizar este aquecedor?

Os motivos para se utilizar este aquecedor são freqüentemente ligados a razões ambientais e
econômicas, porém além destas há outros motivos indiretos. Estes motivos são:

•   Quando utilizada para lavagem de roupas, a água aquecida apresenta maior eficiência na
    limpeza, poupando assim uma porcentagem do uso de sabões e derivados.
•   Quando utilizada para lavagem de louças, a água aquecida apresenta maior eficiência da
    limpeza poupando assim uma porcentagem do uso de sabões, detergentes e derivados.
•   Quando utilizada para aplicações gerais de aquecimento como para cozimento, por exemplo,
    apresenta uma economia de cerca de 1% para cada 5ºC da temperatura da água acima da
    temperatura ambiente (Incropere, 1998).

Logo, o aquecedor solar de água feito com garrafas PET possui inúmeros benefícios indiretos,
como a retirada de garrafas PET do ambiente, diminuição do lançamento de detergente e sabões
ao ambiente conseqüentemente a diminuição das garrafas de detergentes lançadas ao ambiente,
o que classifica este tipo de aquecedor como um equipamento versátil.


Dimensionamento: consumo diário de água
Para dimensionar este tipo de aquecedor solar de água é necessário primeiramente saber o
consumo diário de água do que deve ser alimentado pela água aquecida. Os consumos diários de
água mais comuns são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Consumos diários de água mais comuns

                   Local              Consumo (l/dia)             Por
                   Banheiro                 50                  usuário
                   Banheira
                                            50                  usuário
                   convencional
                   Hidromassagem           200                  usuário
                   Cozinha                  50                  usuário
                   Lavadora de pratos      150                    dia
                   Lavanderia              200                  usuário
                   Alojamento de obra       24                  pessoa
                   Casa popular             36                 morador
                   Casa rural               36                 morador
                   Residencial              45                 morador
                   Apartamento              60                 morador
                   Escola                   45                  pessoa
                   Quartel                  45                  pessoa
                   Hotel                    36                 hóspede
                   Hospital                125                   leito
                   Restaurante              12                 refeição

O consumo diário total, em litros, é dado pela somatória dos consumos diários de cada local a ser
abastecido por água aquecida, conforme mostra a Eq. (1).

                                               n
                                       Cd =   ∑
                                              i= 1
                                                     Cli                                      (1)


Onde: Cd: Consumo total diário (l/dia).
      Cli: Consumo de cada local que será abastecido por água aquecida (litros por dia).
      n: número total de locais que serão abastecidos por água aquecida

Dimensionamento: cálculo da energia necessária para o aquecimento

Para efetuar o cálculo da energia necessária para aquecer a quantidade de água definida no
consumo diário, primeiramente é preciso saber a variação de temperatura. Para isto utiliza-se a
Eq. (2).

                                       ∆ T = Tf − Ti                                          (2)

Onde: Tf: Temperatura desejada da água após o aquecimento (ºC).
      Ti: Temperatura inicial da água / temperatura antes do aquecimento (ºC).
      ΔT: Diferença entre a temperatura final e a temperatura inicial (ºC).

Adota-se que o termo Ti corresponda à temperatura ambiente do local de instalação do
aquecedor. Vale mencionar que, para fornecer 12 litros de água aquecida acima de 40ºC por dia,
são necessários no mínimo 2 metros de cano PVC dentro de 6 garrafas PETs. Como a relação de
volume de água aquecida por comprimento de cano é diretamente proporcional, pode-se fazer
uma simples proporção para se obter o comprimento de cano PVC necessário para aquecer acima
de 40ºC um volume desejado de água. Deve-se considerar também que em todo e qualquer
dimensionamento, se utilizado um reservatório (boiler) de qualidade, a temperatura da água cai
cerca de 10ºC em 12 horas.
Para o cálculo da energia total necessária para aquecer a água destinada ao consumo diário
utiliza-se a Eq. (3).

                                         q = m.c.∆ T                                           (3)


Onde: q: energia necessária para o aquecimento da água (cal).
      m: massa total de água a ser aquecida (g). É permitida a consideração de que a densidade
da água é 1 g/ ml, logo o fator m corresponde ao fator Cd.
      c: calor específico da água (cal.ºC-1). O valor adotado para a água é 1 cal.ºC-1.

Dimensionamento: densidade média do fluxo energético
Cada região do país possui uma chamada densidade média do fluxo energético, que depende
predominantemente do ângulo de incidência da luz solar na região. A Fig. 4 como se comporta
este valor para cada região do país




    Figura 4 – densidade média de fluxo energético no Brasil e sua variabilidade mensal, extraídas
                    do “Atlas da irradiação solar do Brasil” publicado em 1998.

A partir dos dados da Fig. 3, deve ser escolhido um valor de densidade média de fluxo energético
(Igráfico), dado em W/m². Para adaptação com os cálculos à seguir, utilize a Eq. (4).

                                          I = Igráfico.859,8452                                (4)

Onde: Igráfico: densidade média do fluxo energético obtido na Fig 4 (Wh.m-2)

O uso da Eq. (4) se faz necessário devido ao fato do valor dado na Fig. 4 ser expresso na unidade
Wh.m-2, enquanto nos cálculos são utilizados valores em cal.m-2.

Dimensionamento: cálculo do número necessário de garrafas PET
Primeiramente, deve-se realizar o cálculo da área total de garrafas PETs necessária para aquecer
a quantidade de água desejada é dada pela Eq. (5).

                                                2q
                                           S=                                                  (5)
                                                 I


Onde: S: área total do aquecedor solar de água feito com garrafas PET (m²)
Finalmente, para a determinação do número de garrafas PET necessário para a construção do
aquecedor solar de água com garrafa PET utiliza-se a Eq. (6).

                                      Cd 5159071,2
                                 N=      .6.                                                (6)
                                      12     I
Onde: N: número de garrafas PET necessário para se construir o aquecedor solar de água
(adimensional). N tem este formato pois a uma fileira com 6 garrafas PETs consegue aquecer
(acima de 40ºC) 12 litros de água por dia. A razão 5159071,2 / I é um fator que corrige o número
de garrafas PET conforme a densidade média do fluxo energético na região, tomando-se como
referência o valor da densidade média de fluxo energético da região norte.

Se N não resultar em número inteiro, deve-se arredondar para o número inteiro imediatamente
superior ao resultado obtido.

Após ter o número de garrafas PET definido, coloque-as em um arranjo simular ao mostrado na
Fig. 1, obedecendo uma distribuição de garrafas de seis garrafas PET por cano, com comprimento
de 2 metros cada.

Dimensionamento: software
Visando maior praticidade, foi desenvolvida uma aplicação para efetuar o dimensionamento deste
tipo de aquecedor, cujo fluxograma é mostrado na Figura 6.
Inicio


                                          V       volume diário de
                                              água a ser aquecida



                                      Massa total de água           V.1000


                               Delta_t <- diferença de temperatura


                               Energia para aquecimento <- Massa total
                               de água . 1 . Delta_t



                               i <- densidade média do fluxo energético



                               Área do aquecedor <- 2.(Energia para
                               aquecimento) / i


                               Número de garrafas PET <- (V / 12).6 . (5159071,2 / i)



                                          Numero de garrafas PET
                                            Área do aquecedor



                                                       Fim

                        Figura 6 – fluxograma da aplicação desenvolvida

Esta aplicação foi desenvolvida em JavaScript, ou seja, é acoplado a uma página HTML. Deste
modo pode ser facilmente disponibilizado na Internet, assim qualquer pessoa do Brasil que deseja
dimensionar um aquecedor solar de água feito com garrafas PET pode fazer isso de sua própria
casa.
Simulação

A partir da aplicação desenvolvida, podem ser feitas simulações de situações práticas que podem
receber o aquecedor solar de água feito com garrafas PET.

Será exibido neste trabalho o resultado das simulações para uma casa popular com uma família
de 4, 6 e 10 moradores. A Tab. 2 mostra os resultados das simulações, informando o número de
garrafas PET que devem ser compostas o aquecedor por categoria. Todas as simulações foram
feitas supondo a temperatura inicial da água igual a 25ºC e a temperatura final igual a 50ºC.

                                Tabela 2 – Resultados das simulações

       Regiões                                Número de pessoas por família
                               4 pessoas              6 pessoas                 10 pessoas
Norte                       72 garrafas PET        108 garrafas PET           180 garrafas PET
Nordeste                    73 garrafas PET        109 garrafas PET           182 garrafas PET
Centro-Oeste                75 garrafas PET        111 garrafas PET           183 garrafas PET
Sudeste                     79 garrafas PET        116 garrafas PET           188 garrafas PET
Sul                         80 garrafas PET        118 garrafas PET           192 garrafas PET


Considerando que esta água seja destinada ao banho, será calculado a economia média com
energia elétrica que cada caso de casa popular com 4, 6 ou 10 moradores. Para isso, será
suposto que há um único chuveiro na casa, de potência 5000W e que cada banho dure 10
minutos.

O gasto de energia elétrica somente com este chuveiro é dado pelas Eq. (8), Eq. (9) e Eq. (10).

                                                      4
                                    E1 = 12.30.5000.                                              (8)
                                                      6
                                                      6                                           (9)
                                   E 2 = 12.30.5000.
                                                      6
                                                     10
                                   E 3 = 12.30.5000.                                          (10)
                                                      6
     Onde: E1: energia elétrica gasta pela família de 4 pessoas (W.h)
           E2: energia elétrica gasta pela família de 6 pessoas (W.h)
           E3: energia elétrica gasta pela família de 10 pessoas (W.h)

Logo, concluí-se que, para a família de 4 pessoas, haveria uma economia de 1200 kW.h de
energia elétrica por ano. Admitindo a tarifa da energia elétrica igual a R$0,35 por kW.h, a
economia mensal com aquecimento de água para banho seria de R$420,00. Analogamente, a
economia para a família de 6 e 10 pessoas é, respectivamente, R$630,00 e R$1050,00.
Considerando que o consumo médio, por morador, de uma residência é 55kW, tem-se que a
economia (na conta de energia elétrica) neste caso é de aproximadamente 45%.

Conforme mencionado anteriormente, se estima que, para aplicações gerais de aquecimento, haja
uma economia de 1% de energia elétrica destinada a isso para cada 5ºC de elevação da
temperatura da água em relação a temperatura ambiente. Sendo assim, a economia que se
consegue utilizando este aquecedor é relevante, sobretudo para grandes aplicações.

Uma observação interessante é a prévia da economia que se teria somente no Brasil se todos
utilizassem este tipo de aquecedor: considerando a população total do país sendo 190 milhões de
habitantes, o consumo per capita de energia elétrica igual a 55kWh por mês e a tarifa de energia
elétrica igual a R$0,35, a economia anual que se teria, para o uso da água aquecida somente com
banho, seria de aproximadamente 1,975.1010 reais, um valor muito relevante não só pelo seu
valor absoluto em si, mas também por corresponder a 0,77% do PIB do Brasil em 2007, de acordo
com o valor do PIB em 2007 mostrado no jornal Folha On-line do dia 12/03/2008.

Palavras-chave
Energia solar, Economia, Aquecimento, PET.


Agradecimentos
Agradecimentos à empresa Praça do Gás pela montagem final do aquecedor e doação de
materiais e equipamentos para o Centro de Energias Renováveis, UNESP, Campus
Guaratinguetá.

Referências
[1] S. Colle e E.B. Pereira; Instituto Nacional de Meteorologia (INMET); Atlas de Irradiação Solar
do Brasil (Primeira Versão para Irradiação Global Derivada de Satélite e Validada na Superfície);
Brasília; 1998
[2] GREEN, M. A. et al.; Solar celi efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics:
Research and Applications (Adaptado).; v. 8; Sydney; 2000
[3] INCROPERE, F.P., WITT, D. P.; Fundamentos de Transferência de Calor e de
Massa; 4a. Edição; LTC; 1998.
[4] Folha On-line. Notícia: http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u381048.shtml , do dia
12/03/2008

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  • 1. DIMENSIONAMENTO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA FEITO COM GARRAFAS PET PEDRO HENRIQUE FONSECA BERTOLETI Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá TEÓFILO MIGUEL DE SOUZA Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá Este trabalho apresenta o aquecedor solar de água feito com garrafas PET, de simples construção, que busca dar duas grandes soluções, como o aquecimento de água utilizando a energia solar e reutilização das garrafas PET jogadas no ambiente. Além disso, será mostrado como dimensioná-lo. A partir dos cálculos de dimensionamento foi montada uma aplicação / software e, em seguida, foram feitas simulações para prever o quanto de economia este tipo de aquecedor solar de água fornece e qual sua contribuição ao meio ambiente com a reutilização de garrafas PET jogadas no ambiente.Em uma residência, por exemplo, a economia pode ser de 45% na conta de energia elétrica considerando apenas a utilização da água aquecida para banho. Logo, vê-se que o aquecedor solar de água feito com garrafas PET é um equipamento muito relevante na utilização da energia solar para trabalho útil e contribuição ao meio-ambiente. This document show the solar water heater made of PET bottles, a simple-construction solar water heater that try to give us two important solutions, water heating using solar energy and reutilization of the PET bottles left in the nature. Also, it will be showed how to do the dimensioning of it. Based on the showed dimensioning a application / software is developed and after that simulations are made using the application to provide how is the economy if it’s used this kind of solar water heater and their environmental contribution by reutilization of the PET bottles abandoned in the nature. For example, in a common home the economy is about 45% of the electricity bill considering that the warmed water is used just to take a shower. So, the conclusion is: the solar water heater made by PET bottles is a very relevant equipment to the use of the solar energy, to useful applications and environmental contribution. Introdução Com a crescente necessidade de energia elétrica, meios que contribuam para a maior racionalização da energia elétrica consumida são muito relevantes. Além disso, as garrafas PET jogadas no meio ambiente já são um desafio, pois o tempo de decomposição e danos ambientais que causam são bem grandes. Com base nestes dois grandes problemas foi criado o aquecedor solar de água feito com garrafas PET, que visa utilizar a energia solar para trabalho útil e contribuir para a reutilização das garrafas PET. Este trabalho define melhor estes aquecedores, mostra como dimensioná-lo de forma rápida e simples e faz simulações da economia de energia elétrica que se consegue com o uso deste tipo de aquecedor.
  • 2. Aquecedor solar de água feito com garrafas PET: vista geral O aquecedor solar de água feito com garrafas do tipo PET tem o aspecto mostrado na Fig. 1. Este aquecedor pertence ao Centro de Energias Renováveis – UNESP, Campus Guaratinguetá Figura 1 – aquecedor solar de água feito de garrafas PET do Centro de Energias Renováveis, UNESP, Guaratinguetá. Os materiais utilizados são as garrafas do tipo PET, canos do tipo PVC, reservatório (boiler) da capacidade que se desejar, pasta de silicone para isolar termicamente o fundo e a boca da garrafa e conexões para os canos PVC. Os canos de PVC são ligados ao reservatório, de modo que tenha água em seu interior todo o tempo. Um esquema mais genérico de como será o este aquecedor está na Fig 2. Apesar de estar apresentado o esquema de um aquecedor solar de água utilizando coletores convencionais, basta substituir os coletores normais pelas garrafas PET, conforme a Fig. 1, para se ter um esquema geral do aquecedor solar de água feito com garrafas PET. Figura 2 – Esquema geral de um aquecedor solar de água. Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar celi efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Sydney, v. 8, p. 377-384, 2000 (Adaptado). Para a maximização do aquecimento recomenda-se pintar a parte externa dos canos de PVC que passam dentro das garrafas PET de tinta preta fosca. Funcionamento O funcionamento deste tipo de aquecedor de água baseia-se no efeito estufa. Ao incidir sobre as garrafas PET, os raios solares e o ambiente interno das garrafas aquecem o cano de PVC
  • 3. Na reflexão, uma considerável parcela de infravermelho fica retido no interior da garrafa, de modo que o interior da garrafa PET funcione como um armazenador temporário de calor, deixando o interior da garrafa PET aquecido, mostrado pela Fig. 3, calor este transmitido aos canos PVC e conseqüentemente para a água em seu interior, criando uma corrente de convecção. Assim, a água aquecida, mais leve, circula de modo a subir para o reservatório, enquanto a água mais fria desce para a parte inferior, sendo posteriormente aquecida. Figura 3 – em (a) os raios solares incidem sobre as garrafas PET e (b) mostra a retenção da parcela de infravermelho dentro da garrafa, fazendo-a armazenar calor temporariamente. Porque utilizar este aquecedor? Os motivos para se utilizar este aquecedor são freqüentemente ligados a razões ambientais e econômicas, porém além destas há outros motivos indiretos. Estes motivos são: • Quando utilizada para lavagem de roupas, a água aquecida apresenta maior eficiência na limpeza, poupando assim uma porcentagem do uso de sabões e derivados. • Quando utilizada para lavagem de louças, a água aquecida apresenta maior eficiência da limpeza poupando assim uma porcentagem do uso de sabões, detergentes e derivados. • Quando utilizada para aplicações gerais de aquecimento como para cozimento, por exemplo, apresenta uma economia de cerca de 1% para cada 5ºC da temperatura da água acima da temperatura ambiente (Incropere, 1998). Logo, o aquecedor solar de água feito com garrafas PET possui inúmeros benefícios indiretos, como a retirada de garrafas PET do ambiente, diminuição do lançamento de detergente e sabões ao ambiente conseqüentemente a diminuição das garrafas de detergentes lançadas ao ambiente, o que classifica este tipo de aquecedor como um equipamento versátil. Dimensionamento: consumo diário de água Para dimensionar este tipo de aquecedor solar de água é necessário primeiramente saber o consumo diário de água do que deve ser alimentado pela água aquecida. Os consumos diários de água mais comuns são apresentados na Tabela 1.
  • 4. Tabela 1 – Consumos diários de água mais comuns Local Consumo (l/dia) Por Banheiro 50 usuário Banheira 50 usuário convencional Hidromassagem 200 usuário Cozinha 50 usuário Lavadora de pratos 150 dia Lavanderia 200 usuário Alojamento de obra 24 pessoa Casa popular 36 morador Casa rural 36 morador Residencial 45 morador Apartamento 60 morador Escola 45 pessoa Quartel 45 pessoa Hotel 36 hóspede Hospital 125 leito Restaurante 12 refeição O consumo diário total, em litros, é dado pela somatória dos consumos diários de cada local a ser abastecido por água aquecida, conforme mostra a Eq. (1). n Cd = ∑ i= 1 Cli (1) Onde: Cd: Consumo total diário (l/dia). Cli: Consumo de cada local que será abastecido por água aquecida (litros por dia). n: número total de locais que serão abastecidos por água aquecida Dimensionamento: cálculo da energia necessária para o aquecimento Para efetuar o cálculo da energia necessária para aquecer a quantidade de água definida no consumo diário, primeiramente é preciso saber a variação de temperatura. Para isto utiliza-se a Eq. (2). ∆ T = Tf − Ti (2) Onde: Tf: Temperatura desejada da água após o aquecimento (ºC). Ti: Temperatura inicial da água / temperatura antes do aquecimento (ºC). ΔT: Diferença entre a temperatura final e a temperatura inicial (ºC). Adota-se que o termo Ti corresponda à temperatura ambiente do local de instalação do aquecedor. Vale mencionar que, para fornecer 12 litros de água aquecida acima de 40ºC por dia, são necessários no mínimo 2 metros de cano PVC dentro de 6 garrafas PETs. Como a relação de volume de água aquecida por comprimento de cano é diretamente proporcional, pode-se fazer uma simples proporção para se obter o comprimento de cano PVC necessário para aquecer acima de 40ºC um volume desejado de água. Deve-se considerar também que em todo e qualquer dimensionamento, se utilizado um reservatório (boiler) de qualidade, a temperatura da água cai cerca de 10ºC em 12 horas.
  • 5. Para o cálculo da energia total necessária para aquecer a água destinada ao consumo diário utiliza-se a Eq. (3). q = m.c.∆ T (3) Onde: q: energia necessária para o aquecimento da água (cal). m: massa total de água a ser aquecida (g). É permitida a consideração de que a densidade da água é 1 g/ ml, logo o fator m corresponde ao fator Cd. c: calor específico da água (cal.ºC-1). O valor adotado para a água é 1 cal.ºC-1. Dimensionamento: densidade média do fluxo energético Cada região do país possui uma chamada densidade média do fluxo energético, que depende predominantemente do ângulo de incidência da luz solar na região. A Fig. 4 como se comporta este valor para cada região do país Figura 4 – densidade média de fluxo energético no Brasil e sua variabilidade mensal, extraídas do “Atlas da irradiação solar do Brasil” publicado em 1998. A partir dos dados da Fig. 3, deve ser escolhido um valor de densidade média de fluxo energético (Igráfico), dado em W/m². Para adaptação com os cálculos à seguir, utilize a Eq. (4). I = Igráfico.859,8452 (4) Onde: Igráfico: densidade média do fluxo energético obtido na Fig 4 (Wh.m-2) O uso da Eq. (4) se faz necessário devido ao fato do valor dado na Fig. 4 ser expresso na unidade Wh.m-2, enquanto nos cálculos são utilizados valores em cal.m-2. Dimensionamento: cálculo do número necessário de garrafas PET Primeiramente, deve-se realizar o cálculo da área total de garrafas PETs necessária para aquecer a quantidade de água desejada é dada pela Eq. (5). 2q S= (5) I Onde: S: área total do aquecedor solar de água feito com garrafas PET (m²)
  • 6. Finalmente, para a determinação do número de garrafas PET necessário para a construção do aquecedor solar de água com garrafa PET utiliza-se a Eq. (6). Cd 5159071,2 N= .6. (6) 12 I Onde: N: número de garrafas PET necessário para se construir o aquecedor solar de água (adimensional). N tem este formato pois a uma fileira com 6 garrafas PETs consegue aquecer (acima de 40ºC) 12 litros de água por dia. A razão 5159071,2 / I é um fator que corrige o número de garrafas PET conforme a densidade média do fluxo energético na região, tomando-se como referência o valor da densidade média de fluxo energético da região norte. Se N não resultar em número inteiro, deve-se arredondar para o número inteiro imediatamente superior ao resultado obtido. Após ter o número de garrafas PET definido, coloque-as em um arranjo simular ao mostrado na Fig. 1, obedecendo uma distribuição de garrafas de seis garrafas PET por cano, com comprimento de 2 metros cada. Dimensionamento: software Visando maior praticidade, foi desenvolvida uma aplicação para efetuar o dimensionamento deste tipo de aquecedor, cujo fluxograma é mostrado na Figura 6.
  • 7. Inicio V volume diário de água a ser aquecida Massa total de água V.1000 Delta_t <- diferença de temperatura Energia para aquecimento <- Massa total de água . 1 . Delta_t i <- densidade média do fluxo energético Área do aquecedor <- 2.(Energia para aquecimento) / i Número de garrafas PET <- (V / 12).6 . (5159071,2 / i) Numero de garrafas PET Área do aquecedor Fim Figura 6 – fluxograma da aplicação desenvolvida Esta aplicação foi desenvolvida em JavaScript, ou seja, é acoplado a uma página HTML. Deste modo pode ser facilmente disponibilizado na Internet, assim qualquer pessoa do Brasil que deseja dimensionar um aquecedor solar de água feito com garrafas PET pode fazer isso de sua própria casa.
  • 8. Simulação A partir da aplicação desenvolvida, podem ser feitas simulações de situações práticas que podem receber o aquecedor solar de água feito com garrafas PET. Será exibido neste trabalho o resultado das simulações para uma casa popular com uma família de 4, 6 e 10 moradores. A Tab. 2 mostra os resultados das simulações, informando o número de garrafas PET que devem ser compostas o aquecedor por categoria. Todas as simulações foram feitas supondo a temperatura inicial da água igual a 25ºC e a temperatura final igual a 50ºC. Tabela 2 – Resultados das simulações Regiões Número de pessoas por família 4 pessoas 6 pessoas 10 pessoas Norte 72 garrafas PET 108 garrafas PET 180 garrafas PET Nordeste 73 garrafas PET 109 garrafas PET 182 garrafas PET Centro-Oeste 75 garrafas PET 111 garrafas PET 183 garrafas PET Sudeste 79 garrafas PET 116 garrafas PET 188 garrafas PET Sul 80 garrafas PET 118 garrafas PET 192 garrafas PET Considerando que esta água seja destinada ao banho, será calculado a economia média com energia elétrica que cada caso de casa popular com 4, 6 ou 10 moradores. Para isso, será suposto que há um único chuveiro na casa, de potência 5000W e que cada banho dure 10 minutos. O gasto de energia elétrica somente com este chuveiro é dado pelas Eq. (8), Eq. (9) e Eq. (10). 4 E1 = 12.30.5000. (8) 6 6 (9) E 2 = 12.30.5000. 6 10 E 3 = 12.30.5000. (10) 6 Onde: E1: energia elétrica gasta pela família de 4 pessoas (W.h) E2: energia elétrica gasta pela família de 6 pessoas (W.h) E3: energia elétrica gasta pela família de 10 pessoas (W.h) Logo, concluí-se que, para a família de 4 pessoas, haveria uma economia de 1200 kW.h de energia elétrica por ano. Admitindo a tarifa da energia elétrica igual a R$0,35 por kW.h, a economia mensal com aquecimento de água para banho seria de R$420,00. Analogamente, a economia para a família de 6 e 10 pessoas é, respectivamente, R$630,00 e R$1050,00. Considerando que o consumo médio, por morador, de uma residência é 55kW, tem-se que a economia (na conta de energia elétrica) neste caso é de aproximadamente 45%. Conforme mencionado anteriormente, se estima que, para aplicações gerais de aquecimento, haja uma economia de 1% de energia elétrica destinada a isso para cada 5ºC de elevação da temperatura da água em relação a temperatura ambiente. Sendo assim, a economia que se consegue utilizando este aquecedor é relevante, sobretudo para grandes aplicações. Uma observação interessante é a prévia da economia que se teria somente no Brasil se todos utilizassem este tipo de aquecedor: considerando a população total do país sendo 190 milhões de habitantes, o consumo per capita de energia elétrica igual a 55kWh por mês e a tarifa de energia elétrica igual a R$0,35, a economia anual que se teria, para o uso da água aquecida somente com banho, seria de aproximadamente 1,975.1010 reais, um valor muito relevante não só pelo seu
  • 9. valor absoluto em si, mas também por corresponder a 0,77% do PIB do Brasil em 2007, de acordo com o valor do PIB em 2007 mostrado no jornal Folha On-line do dia 12/03/2008. Palavras-chave Energia solar, Economia, Aquecimento, PET. Agradecimentos Agradecimentos à empresa Praça do Gás pela montagem final do aquecedor e doação de materiais e equipamentos para o Centro de Energias Renováveis, UNESP, Campus Guaratinguetá. Referências [1] S. Colle e E.B. Pereira; Instituto Nacional de Meteorologia (INMET); Atlas de Irradiação Solar do Brasil (Primeira Versão para Irradiação Global Derivada de Satélite e Validada na Superfície); Brasília; 1998 [2] GREEN, M. A. et al.; Solar celi efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications (Adaptado).; v. 8; Sydney; 2000 [3] INCROPERE, F.P., WITT, D. P.; Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa; 4a. Edição; LTC; 1998. [4] Folha On-line. Notícia: http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u381048.shtml , do dia 12/03/2008