Table Of ContentUNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA DE UM SISTEMA SOLAR
DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR CIRCULAÇÃO NATURAL
LOCALIZADO EM ITAJUBÁ − MG
Dissertação apresentada à
Universidade Federal de Itajubá
para obtenção do Título de
Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração:
Conversão de Energia
Aluno: Leandro da Silva Sales
Orientador: Prof. Dr. Ricardo
Dias Martins de Carvalho
Itajubá, agosto de 2004
A minha mãe Ana Balbino da Silva, a
cujos sacrifícios devo minha formação.
AGRADECIMENTOS
Ao professor Dr. Ricardo Dias Martins de Carvalho pela sua valiosa
orientação, incentivo e apoio na elaboração deste trabalho.
Aos familiares, amigos e colegas de trabalho que direta ou indiretamente
contribuíram na execução deste trabalho.
RESUMO
O presente trabalho representa o passo inicial para o estabelecimento no
Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá (IEM-UNIFEI)
de uma linha de pesquisa em tratamento de dados climáticos e sua utilização em
projetos de engenharia. Foi desenvolvido um perfil do clima da cidade de Itajubá,
MG, com base em dados climáticos coletados pelo Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE) e os dados tratados foram utilizados para o dimensionamento e
análise de sistemas solares de aquecimento de água por circulação natural, operando
em Itajubá, ao longo de todos os meses do ano. Os sistemas solares de aquecimento
de água por circulação natural são o tipo mais difundido no Brasil e o mais adequado
para uso residencial.
Dados brutos de radiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento
coletados ao longo de seis anos (07/04/1998 a 06/04/2004) foram tratados e
organizados em planilhas e gráficos adequados à análise acima. Apesar do banco de
dados climáticos para Itajubá ser ainda bastante pequeno, foi possível traçar um
perfil preliminar do clima da cidade. À medida que for crescendo o banco de dados,
o perfil traçado poderá ser regularmente atualizado e a sua confiabilidade estatística
aumentará.
A fim de se simular a operação de sistemas solares de aquecimento de água
por circulação natural, desenvolveu-se um programa computacional com base na
modelagem do sistema de aquecimento solar completo (coletor solar, reservatório
térmico e tubos de conexão). O programa também permitiu realizar o estudo de um
sistema utilizado como referência de modo a verificar a influência dos vários
parâmetros de projeto sobre o seu desempenho. Na análise realizada, admitiu-se que
toda a água quente é consumida apenas à noite, ou seja, considerou-se não haver
demanda de água quente ao longo do dia. A utilização de aquecimento auxiliar e a
estratificação da água no reservatório também não foram consideradas. Os resultados
da análise mostraram que é possível obter água quente adequada para banho durante
todos os meses do ano.
Em seguida à análise de desempenho do sistema, foi feita uma análise
técnico-econômica visando determinar a possibilidade de aquisição, por diferentes
camadas sociais brasileiras, de sistemas solares de aquecimento de água e o seu
impacto sobre o consumo de energia elétrica. Foi determinado o tempo de retorno do
investimento para diferentes capacidades requeridas do sistema, considerando-se a
operação do aquecedor ao longo de todo o ano em Itajubá. Nestes cálculos, foram
utilizados valores do custo da energia elétrica e do crédito bancário representativos
do mercado brasileiro. Verificou-se que a economia mensal de energia elétrica obtida
permite o pagamento das prestações de financiamento para sistemas com
capacidades a partir de 250 litros. Porém, cerca de 67% dos domicílios brasileiros
não teriam acesso ao crédito para financiamento destes sistemas. Há, por
conseguinte, a necessidade de incentivos governamentais para atender a população
com menor renda.
ABSTRACT
The present work represents the initial step to establish at IEM-UNIFEI a
research group in the analysis of weather data and its use in engineering applications.
A preliminary profile of the climate of Itajubá, MG, was developed based on weather
data collected by the Brazilian Space Research Institute (INPE) and the reduced data
were used for sizing and simulating the performance throughout the year of a natural
circulation solar heater. The weather data analyzed were the ambient air temperature,
solar radiation, and wind velocity and direction.
In order to perform the simulation mentioned above, a computer routine was
developed based on a model of the complete solar system — solar collectors, storage
tank, and connecting pipes. The computer routine also allowed for a parametric
analysis to be made so as to check the influence of several design parameters on the
system performance.
Next, a cost-benefit analysis was made to check weather Brazilian lower
classes would have access to solar heaters. The payback time was determined for
different system capacities using values representatives of the Brazilian financial
market.
SUMÁRIO
RESUMO
ABSTRACT
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SÍMBOLOS
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................1
1.1 Fontes de Dados Climáticos no Brasil..........................................................1
1.2 Disponibilidade de Dados de Radiação Solar no Brasil...............................3
1.3 Utilização da Energia Solar para Aquecimento de Água...........................15
1.4 Classificação dos Sistemas de Aquecimento Solar de Água......................20
1.5 Sistemas Solares Planos, Distribuídos, para Aquecimento de Água..........25
1.6 Objetivos do Presente Trabalho..................................................................29
2 DADOS DE RADIAÇÃO SOLAR PARA UTILIZAÇÃO EM PROJETOS DE
SISTEMAS TERMOSSOLARES....................................................................31
2.1 A Radiação Solar........................................................................................31
2.2 Geometria Solar..........................................................................................41
2.3 Hora Solar...................................................................................................46
2.4 Ângulos Relativos à Instalação do Coletor Solar.......................................48
2.5 Solarimetria e Instrumentos de Medição....................................................51
3 METODOLOGIAS DE TRATAMENTO DE DADOS CLIMÁTICOS.........55
3.1 Discussão Preliminar..................................................................................55
3.2 Definições Estatísticas................................................................................56
3.3 Ano Meteorológico Típico ASHRAE........................................................59
3.4 Metodologias de Tratamento de Dados Climáticos do LabEEE-UFSC.....60
3.4.1 Tratamento de Dados de Nebulosidade................................................60
3.4.2 Tratamento de Dados para o Vento......................................................62
3.5 Análise do Comportamento dos Ventos.....................................................62
3.6 Metodologias de Tratamento de Dados de Radiação Solar para Projeto e
Análise de Equipamentos Solares...............................................................70
3.7 Geração de Seqüências Sintéticas de Radiação Solar e Temperatura........71
3.8 Metodologias Utilizadas para Tratamento de Dados para Itajubá..............79
3.8.1 Organização Geral e Tratamento dos Dados de Temperatura..............79
3.8.2 Organização Geral e Tratamento dos Dados de Radiação Solar..........81
3.8.3 Organização Geral e Tratamento dos Dados de Magnitude e Direção
dos Ventos............................................................................................84
3.9 Considerações Finais..................................................................................88
4 TRATAMENTO DE DADOS CLIMÁTICOS PARA ITAJUBÁ...................89
4.1 O Sistema Brasileiro de Coleta de Dados do Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais.....................................................................................89
4.2 A Plataforma de Coleta de Dados INPE-UNIFEI......................................94
4.3 Análise dos Dados Tratados de Temperatura.............................................97
4.4 Análise dos Dados Tratados de Radiação Solar.......................................103
4.5 Análise das Seqüências Horárias Sintéticas de Radiação Solar e
Temperatura..............................................................................................112
4.6 Análise dos Dados Tratados de Magnitude e Direção dos Ventos...........120
4.6.1 Velocidade dos Ventos.......................................................................120
4.6.2 Direção dos Ventos............................................................................137
4.7 Considerações Finais................................................................................140
5 MODELAGEM DE SISTEMAS DOMÉSTICOS DE AQUECIMENTO
SOLAR DE ÁGUA........................................................................................142
5.1 Discussão Preliminar................................................................................142
5.2 Modelagem do Coletor Solar....................................................................145
5.2.1 Equação Básica do Balanço de Energia.............................................145
5.2.2 Perdas de Calor para o Ambiente.......................................................148
5.2.3 Distribuição de Temperatura entre os Tubos.....................................156
5.2.4 Distribuição de Temperatura na Direção do Escoamento..................162
5.2.5 Temperatura Média da Placa Absorvedora........................................167
5.2.6 Produto Transmissividade-Absortividade Efetivo.............................171
5.2.7 Efeitos de Poeira e Sombreamento sobre o Coletor...........................178
5.8 Modelagem do Sistema Completo............................................................178
5.8.1 Discussão Preliminar..........................................................................178
5.8.2 Modelos para simulação em regime transiente..................................179
5.8.3 Descrição do Modelo Utilizado..........................................................183
5.8.4 Procedimento de Cálculo de Desempenho do Sistema......................194
6 ANÁLISE PARAMÉTRICA DE SISTEMAS DOMÉSTICOS DE
AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA..........................................................198
6.1 Especificações do Sistema de Referência.................................................198
6.2 Número e Diâmetro dos Tubos dos Coletores..........................................200
6.3 Espessura do Isolante na Base do Coletor................................................204
6.4 Distância entre a Placa Absorvedora e o Vidro de Cobertura..................206
6.5 Espessura do Isolante do Reservatório Térmico.......................................207
6.6 Diâmetro Interno dos Tubos de Conexão.................................................209
6.7 Espessura do Isolante dos Tubos de Conexão..........................................210
6.8 Distância Vertical entre a Saída dos Coletores e a Saída do Reservatório212
6.9 Desempenho Comparativo de Sistemas de Aquecimento Solar Otimizado e
Alternativo................................................................................................214
7 ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA DE SISTEMAS SOLARES DE
AQUECIMENTO DE ÁGUA........................................................................218
7.1 Discussão Preliminar................................................................................218
7.2 Tempo de Retorno do Investimento em Sistemas Solares de Aquecimento
de Água.....................................................................................................222
7.3 Especificações Técnicas dos Sistemas Simulados....................................229
7.4 Análise dos Resultados.............................................................................231
7.5 Considerações Finais................................................................................232
8 CONCLUSÕES..............................................................................................237
