Figura 1 - Sistema individual de aquecimento de água – chuveiro elétrico

Figura 2 – Aquecedor de passagem a gás	Figura 3 – Aquecedor de acumulação a gás

Figura 4 – Aquecedor de acumulação elétrico

Figura 5 – Sistema central privado de água quente com aquecedor de passagem a gás	Figura 6 – Sistema central privado de água quente com aquecedor de acumulação

Figura 7 – Sistema conjugado com aquecedor de passagem a gás reservatório de água quente

Figura 8 – Sistema central coletivo com distribuição descendente

Figura 9 – Sistema central coletivo com distribuição ascendente

Figura 10 – Sistema central coletivo com distribuição mista

Sistema de aquecimento solar

É um sistema com uma fonte principal e constante como o gás ou a energia elétrica, assistido por coletores solares, ou seja, é um sistema de pré-aquecimento da água. Este fato deve-se às variações da energia solar durante o dia e, também, durante as estações, sendo esta fonte de energia considerada complementar a uma fonte principal.

Tipos de sistemas

Sistema central coletivo assistido por aquecedor de passagem a gás

Este sistema é composto por um reservatório de água quente central conjugado a um aquecedor auxiliar como, por exemplo, a gás. Este reservatório recebe água fria e por meio de uma bomba a água é recirculada nos coletores solares até atingir uma temperatura pré-estabelecida em um termostato. Caso o dia esteja chuvoso ou frio, o aquecedor de passagem a gás entra em operação para manter a temperatura desejada.

Outra bomba faz a recirculação da água quente na coluna, conduzindo a água até a ligação dos ramais com a coluna de distribuição, conforme ilustra a Figura 11. Para reduzir os tempos de espera por água quente nos aparelhos sanitários e evitar a necessidade de rede de recirculação dentro do apartamento, devem-se prever várias colunas de tal forma que a água aquecida chegue o mais próximo dos pontos de consumo.

Segundo Ceotto, 2008b) a perda de calor nesse reservatório é inversamente proporcional à raiz cúbica de seu volume pode-se afirmar que este sistema apresenta a maior eficiência na retenção do calor obtido do sol, pois entre todos os sistemas é o que armazena maior volume de água.

Apesar de esse sistema ser termicamente eficiente ele inviabiliza a medição individualizada da água quente nos apartamentos uma vez que para isto devem-se instalar dois medidores em cada ramal de alimentação dos apartamentos: um para medir o volume na entrada e outro no retorno. Várias tentativas mostraram imprecisão e aumento de custos.

Sistema central privado assistido por aquecedor de passagem a gás

Neste sistema a água do reservatório central é pré-aquecida pelos coletores solares e a complementação da temperatura da água é realizada pelos aquecedores de passagem localizados em cada apartamento em função da temperatura naquele instante, conforme ilustra a Figura 12.

Uma das desvantagens deste sistema é a pequena sensibilidade de ajuste dos aquecedores de passagem na correção da temperatura de entrada da água. Isto pode provocar acidentes, caso o diferencial de temperatura da água de entrada em relação a água de saída for muito pequeno.  Outra desvantagem é que o seu emprego não é recomendado para apartamentos em que os pontos de utilização de água quente estejam distantes da entrada do aquecedor, o que resulta em longos tempos de espera da água quente e também desperdícios de água fria contida na tubulação.

A medição individualizada de água quente é facilitada, uma vez que é necessário somente um medidor a montante do aquecedor de passagem.

Sistema central privado assistido por aquecedor de acumulação a gás

Neste sistema a água do reservatório central é pré-aquecida pelos coletores solares e a complementação da temperatura da água é realizada pelos aquecedores de acumulação localizados em cada apartamento, conforme ilustra a Figura 13. 

A perda de calor resultante do menor volume de reservação é, em geral, maior que a dos sistemas anteriores. A possibilidade de instalação de uma rede de recirculação entre o aquecedor de acumulação e os pontos de consumo do apartamento reduz o tempo de espera por água quente em apartamentos maiores.

A medição individualizada de água é feita por meio de dois hidrômetros: um para água quente e outro para água fria.

Avaliação da contribuição solar – área de coletores solares

Conforme o art. 7^o da lei municipal de São Paulo 14.459, o aquecimento solar deve atender, no mínimo, a 40% da demanda anual média de água quente para unidades residenciais com 4 banheiros ou mais. Observa-se que o lavabo é considerado como banheiro, mesmo não possuindo chuveiro ou qualquer tipo de aquecimento no lavatório. Para apartamentos com menos de 4 banheiros, deverá ser prevista infra-estrutura que possibilite a sua instalação.

As etapas para a avaliação da contribuição solar, conforme o decreto 49.148 (São Paulo, 2008), são descritas a seguir.

Etapa 1: estimar o volume diário de água quente a ser consumida pela edificação.

Etapa 2: calcular a quantidade de energia necessária para aquecer o volume diário por meio da equação 1.

                                                                             (1)

Onde:

E é a demanda de energia por dia em kWh/mês;

V é o volume diário de água quente a ser aquecida em litros;

C_p é o calor específico da água constate de 4,18 kJ/k^oC;

t₂ é a temperatura de água quente requerida para o uso específico, em ^oC;

t₁ é a temperatura de água fria igual a 20,2 ^oC  (média histórica da temperatura do Município de São Paulo).

Etapa 3: determinar a produção de energia dos coletores solares no Município de São Paulo

O cálculo da produção média mensal de energia em kWh de qualquer coletor solar no Município de São Paulo é feito por meio da equação 2.

P_me(SP)= 0,65 .P_{me(Tabela do INMETRO)}                                                            (2)

Onde:

Pme_(SP) é a produção média mensal de energia específica no município de São Paulo em kWh/mês.m²;

Pme_{(Tabela do IMETRO)} é a produção média mensal de energia específica dos coletores solares  publicados na Tabela de sistemas e equipamentos para fornecimento solar de água do INMETRO, em kWh/mês.m².

O fator 0,65 é adotado como redutor da eficiência dos parâmetros publicados pelo INMETRO, os quais se referem a medições ideais de laboratório, que levam em conta as condições climáticas do município de São Paulo.

Etapa 4: determinar a área de para atendimento da contribuição solar (fração solar) segundo o requisito desta lei:

                                                                                (3)

Onde:

AC é a área de coletores solares em m²;

F_cd é o fator de correção para desvio do Norte Geográfico indicado na Tabela 1;

CS é a contribuição solar (fração solar);

E é a demanda de energia mensal em kWh/mês;

Pme_(SP) é a produção média mensal de energia específica do coletor solar no município de São Paulo em kWh/mês.m².

Os coletores solares devem ser orientados para o Norte Geográfico. Quando não for possível a orientação ideal, deve-se aplicar um fator de correção para desvios do Norte Geográfico de acordo com a Tabela 1.

Tabela 1 – Fator de correção para desvio do Norte Geográfico

Desvio do Norte Geográfico (para Leste ou Oeste)	Fcd
Até 30o	1
De 31 a 60o	1,13
De 61 a 90o	1,16

Exemplo

Calcular a quantidade de coletores solares para um edifício de 13 andares com 2 apartamentos por andar. Considerar o consumo de água quente somente para banho e que o consumo diário por pessoa para dois banhos seja de 130 litros a 40 ^oC e uma média de 4 pessoas por apartamento.

Etapa 1: Volume diário

V = 26 apartamentos x 4 pessoas/apto. x 130 L/pes.dia

V = 13520 litros a 40 ^oC

Etapa 2: Cálculo da quantidade de energia necessária para aquecer o volume diário

E = 13520 x 4,18 (40 – 20,2) 30/3600

E = 9.324,7 kWh/mês

E = 89,7 kWh/mês por habitante

Etapa 3: Cálculo da produção de energia dos coletores solares no Município de São Paulo

Os valores de Pme_{(tabela do IMETRO)} variam entre 70 e 80 kWh/mês.m², dependendo do tipo de equipamento. O valor adotado será de 80 kWh/mês.m²

Pme_(SP) = 0,65 x 80

Pme_(SP) = 52 kWh/mês.m²

Etapa 4: Cálculo da área de coletores solares

Considera-se: F_cd = 1,0 e CS = 40%

AC = 1,0 x 0,4 x 9324,7/52

AC = 71,7 m²

Considerando-se uma perda em todo o sistema de 15%, tem-se 84,4 m² de coletores. Considerando-se ainda que o coletor tenha 2,0 m² tem-se 42,2 coletores.

Dimensionamento do Sistema

Sistema de reservação

O dimensionamento dos equipamentos geradores de água quente deve ser feito considerando-se:

·         a solicitação do aquecedor pelos usuários, por meio da vazão de suprimento (capacidade de recuperação), e seu correspondente volume de armazenamento (acumulação) requerido;

·         as características de capacidade de recuperação e volume armazenado oferecidas pelo sistema de geração de água quente.

Assim, um sistema adequadamente dimensionamento deve apresentar capacidade de recuperação versus volume armazenado maior que a capacidade de recuperação versus volume armazenado solicitado.

Ressalta-se que a capacidade de recuperação, representada pela potência instalada do aquecedor, deve incorporar o seu rendimento no processo de transferência de energia, ao passo que o volume de acumulação deve considerar a ocorrência de estratificação da distribuição de temperaturas no interior do aquecedor, que resulta em redução do volume efetivamente utilizável.

Os aquecedores de passagem ou instantâneos devem atender à vazão máxima provável no sistema de distribuição.  

Estimativa do consumo diário de água quente

O consumo diário de água quente, em função do tipo de uso da edificação, é estimado por meio da equação 4.

            C_D = C_AQ . P                                                                                            (4)

Onde:

C_D = consumo diário de água quente total (L/dia);

C_AQ = consumo diário de água quente per capita (L/dia);

P = população do edifício.                                                       

Na Tabela 2 são indicados alguns valores do consumo diário de água quente.

Tabela 2 - Consumo diário de água quente

Edificação	Consumo diário
Alojamento provisório	24 per capita
Apartamento	60 per capita
Casa popular ou rural	36 per capita
Escola (internato)	45 per capita
Hospital	125 por leito
Hotel (s/cozinha e s/ lavanderia)	36 por hóspede
Lavanderia	15 por kg de roupa seca
Quartel	45 per capita
Residência	45 per capita
Restaurantes e similares	12 por refeição

Na Tabela 3 são apresentados alguns indicadores para a determinação da população em edifícios para diferentes fins.

Tabela 3 – Estimativa de população em edifícios

Edifício	População
Escritório	1 pessoa/3m2
Loja	1 pessoa/3m2
Hotel	1 pessoa/3m2
Hospital	1 pessoa/3m2
Apartamento/residência	P = 2 x NDS + NDE ou 5 pessoas/unidade

NDS = número de dormitórios sociais

NDE = número de dormitórios de serviço

Cálculo do volume a ser reservado

A determinação do volume de água a ser reservado é feita por meio da aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica, por meio da equação 5.

Q_cedido = Q_recebido                                                                                                  (5)

Considerando-se regime permanente, tem-se:

m₁ . c₁ . (t_i1 – t_f) = m₂ . c₂ . (t_i2 – t_f)                                                                       (6)

onde:           

m = vazão em massa em L/h;

c = calor específico em kcal/kg^oC;

t = temperatura em ^oC.

Como o líquido é o mesmo c₁ = c₂, (sendo o índice 1 para água quente e o índice 2 para água fria), tem-se:

m₁ . t_i1  + m₂ . t_i2  = (m₁ + m₂) t_f                                                                         (7)

ou:

V_AQ . t_AQ + V_AF . t_AF = V_mist . t_mist                                                                        (8)

onde:

V_AQ = volume de água quente (consumo diário a 70^oC - incógnita)

 t_AQ = temperatura de água quente no aquecedor (valor usual: 70^oC)

V_AF = volume de água fria

t_AF = temperatura de água fria no inverno (valor usual: 15 ^oC)

V_mist = volume de água de mistura utilizado (consumo diário – tabela 2)

 t_mist = temperatura de mistura (água morna, valor usual: 42^oC)

Sabe-se que:

V_mist = V_AF + V_AQ                                                                                                  (9)

Substituindo a equação (9) e os valores de temperatura na equação (8), vem:

70 V_AQ  + 15 (V_mist  - V_AQ) = 42 V_mist

Tem-se:

V_AQ = 0,51 V_mist                                                                                                 (10)

Sistema de distribuição

O dimensionamento do sistema de distribuição de água quente é feito da mesma maneira que o sistema de água fria, ou seja: considera-se regime permanente em conduto forçado, onde se faz um balanceamento entre o diâmetro da tubulação, a vazão de projeto esperada e as pressões necessárias para o funcionamento adequado dos equipamentos sanitários, tendo em vista a carga disponível.

Vazão

Para um mesmo nível de satisfação de um determinado usuário, a vazão unitária de água quente apresenta-se variável em função de sua temperatura, ou seja, quanto mais alta a temperatura, menor a vazão, conforme expressa a equação (11):

                                                                                              (11)

Onde:

q_AQ = vazão de água quente em L/s;

t_mist = tempertaura de mistura (água morna) em ^oC;

t_AF = temperatura de água fria ^o;

t_AQ = temperatura de água quente em ^oC;

q_mist = vazão de mistura (água morna) em L/s.

Para a determinação da vazão de projeto nos trechos do sistema há duas alternativas:

·         supor o funcionamento simultâneo de todos os pontos de consumo do sistema (vazão máxima de projeto), o que se constitui, na maioria dos casos numa abordagem inadequada, uma vez que a probabilidade de que isto ocorra é bastante reduzida, resultando em instalações anti-econômicas;

·         incorporar à vazão máxima de projeto fatores que representem  a probabilidade de utilização simultânea de diferentes pontos de consumo do sistema (vazão máxima provável).

O dimensionamento da rede de distribuição, na primeira alternativa, se reduz à aplicação da Mecânica dos Fluidos, porém é improvável que todos os pontos de consumo sejam utilizados simultaneamente.

Os métodos para a determinação das vazões de projeto são: métodos empíricos e métodos probabilísticos. Os métodos empíricos são aqueles cuja técnica de determinação das vazões de projeto baseia-se na utilização de tabelas, gráficos e expressões matemáticas, estabelecidos a partir da experiência de seus propositores como, por exemplo, o método dos pesos, apresentado na NBR 5626 (ABNT, 1998). Já os métodos probabilísticos são aqueles cuja técnica de determinação das vazões de projeto baseia-se na utilização de tabelas, gráficos e expressões matemáticas, estabelecidos a partir de conceitos probabilísticos.

Segundo a NBR 7198 (1993) pode-se utilizar qualquer método para a determinação das vazões de projeto, seja ele empírico ou probabilístico, desde que seja convenientemente justificado no memorial de cálculo do projeto.

O método empírico, apresentado na NBR 5626 (ABNT, 1998) é válido também para água quente e a estimativa das vazões de projeto em um trecho do sistema é feita por meio da equação 12.

                                                                                         (12)

Onde:

Q é a vazão estimada na seção considerada, em litros por segundo;

ΣP é a soma dos pesos relativos de todas as peças de utilização alimentadas pela tubulação considerada.

Na Tabela 4 são apresentados os pesos e as vazões unitárias dos aparelhos sanitários.

Tabela 4 – Pesos e vazões unitárias de aparelhos sanitários

Aparelho sanitário	Peça de utilização	Peso relativo	Vazão unitária(L/s)
Banheira	Misturador (água quente)	1,0	0,30
Bidê	Misturador (água quente)	0,1	0,06
Chuveiro ou ducha	Misturador (água quente)	0,5	0,12
Lavatório	Misturador (água quente)	0,5	0,12
Pia	Misturador (água quente)	0,7	0,25

A determinação da vazão de projeto para barriletes, colunas e ramais pode ser através de duas formas:

·         soma das vazões de todos os aparelhos do trecho considerado (vazão máxima possível);

·         incorporação de fatores de simultaneidade à vazão máxima possível, obtendo-se a vazão máxima provável ou então, para o caso de ramais de edifícios residenciais, a soma das vazões dos aparelhos ligados ao ramal e que se julga em funcionamento simultâneo.

Velocidade

A velocidade de escoamento é limitada como forma de controlar o ruído, golpe de aríete e corrosão. A NBR 7198 (ABNT, 1998) recomenda que a velocidade da água nas tubulações não deve ser superior a 3 m/s.

Pressão

A NBR 7198 (ABNT, 1998) recomenda que a pressão estática máxima nos pontos de utilização não deve ser superior a 400 kPa e que a pressão dinâmica nas tubulações não devem ser inferiores a 5 kPa.

Pré-dimensionamento

Conhecendo-se as vazões de projeto nos diferentes trechos do sistema, faz-se o pré-dimensionamento dos mesmos, uma vez que, pela equação da continuidade:

 QP = Amín . Vmáx                                                                                      (13)          

Sabe-se que:

                                                                                                  (14)

Substituindo (14) em (13) e isolando D, tem-se:

                                                                                         (15)

Onde:

QP é a vazão de projeto em m³/s;

A_mín é a área mínima da seção transversal do tubo em m²;

V_máx é a vlocidade máxima recomendada em m/s;

D_mín é o diâmetro interno mínimo em m.

Adota-se, para cada trecho, o diâmetro nominal imediatamente superior, cujo diâmetro interno seja igual ou maior ao valor de D_mín calculado.

Os sub-ramais devem apresentar os diâmetros mínimos dos aparelhos a serem instalados.

Perda de carga

A determinação da pressão disponível nos vários trechos do sistema requer o cálculo da perda de carga, ou seja, a perda de energia que a água despende ao escoar.

A pressão dinâmica disponível a jusante em um trecho qualquer é obtida através da equação 16.

P_jusante = P_montante ± Desnível - perda de carga                                            (16)

Onde:

P_jusante é a pressão dinâmica disponível a jusante do trecho considerado;

P_montante é a pressão dinâmica disponível a montante do trecho considerado;

Desnível é a diferença de cotas geométricas dos pontos que definem o trecho.

Sistema de recirculação

Constitui-se de um conjunto de tubulações interligando os pontos mais distantes da rede ao equipamento de aquecimento com o objetivo de manter os níveis satisfatórios de temperatura da água em todos os pontos de utilização.

A recirculação de água quente pode ser natural ou forçada. Na recirculação natural, apresentada na Figura 14, utiliza-se a carga hidrostática gerada pela diferença de temperaturas, consequentemente de densidade, das redes de distribuição e de retorno. Este fenômeno é, em geral, denominado de termosifão, e ocorre porque a água na rede de retorno se encontra a uma temperatura mais baixa e, portanto, mais densa, o que resulta em uma carga hidrostática maior no ponto de inserção da tubulação de retorno ao equipamento de aquecimento.

Na recirculação forçada a carga necessária é obtida por meio da interposição de uma bomba, adequada à temperatura de serviço do sistema.

Referências Bibliográficas

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto e execução de instalações prediais de água quente. NBR 7198. Rio de Janeiro, 1993.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Instalação predial de água fria. NBR 5226. Rio de Janeiro, 1998.

CEOTTO, L.H. Aquecimento solar: é possível obedecer à lei? – parte 1. Revista Notícias da Construção. Capturado em http://www.sidusconsp.com.br/publicacoes. Acesso em 16/07/2008.

CEOTTO, L.H. Aquecimento solar: é possível obedecer à lei? – parte 2. Revista Notícias da Construção, Sinduscon São Paulo, 2008,p. 22-23.

ILHA, M.S.O.; GONÇALVES, O.M.; KAWASSAKI, Y. Sistemas prediais de água quente. São Paulo, 1994. Texto Técnico, Escola Politécnica da USP. TT/PCC/09.

SÃO PAULO, LEIS, DECRETOS. Diário Oficial da Cidade de São Paulo.  Decreto n^o 49.148, de 21 de janeiro de 2008. Regulamenta a lei n^o 14.459. 5p.