O chuveiro elétrico é um dos vilões do consumo de energia nas residências brasileiras. Como agravante, o seu uso coincide, principalmente, com os horários de pico da utilização de eletricidade no país. Quatro pesquisas conduzidas na graduação e pós-graduação da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp têm resultado em um sistema energético para aquecimento de água para banho que pode substituir o equipamento popularizado no Brasil na década de 1930. A diferença é que o sistema projetado possui ótima eficiência energética, além de ser ecologicamente correto e viável do ponto de vista econômico.

Trata-se de uma bomba de calor para aquecer a água do banho, desenvolvida com base em metodologia computacional. O sistema seria utilizado, especialmente, em prédios, onde a aplicação da energia solar se torna inviável devido à falta de espaço nos telhados para comportar a quantidade suficiente de coletores para abastecer todos os moradores.

“A geladeira residencial é um exemplo típico de bomba de calor, só que com efeito inverso ao que buscamos”, exemplifica o professor José Ricardo Figueiredo, do Departamento de Energia da FEM. O docente coordena os estudos, que são desenvolvidos na Unicamp no âmbito de linha da pesquisa “Simulação de sistemas termo-fluido-mecânicos”. “O sistema permite a transferência de calor de um espaço mais frio para outro mais aquecido, necessitando apenas de um complemento energético na forma da eletricidade consumida por um compressor. No caso da geladeira residencial, o espaço mais frio é o interior do próprio eletrodoméstico, e o espaço mais quente é o ambiente externo, que recebe calor através daquele conjunto de tubos pretos que existem atrás do aparelho, denominado condensador. Na geladeira, interessa o efeito de resfriamento. No nosso caso, interessa o efeito de aquecimento no condensador”, explica.

Sob orientação do docente, o engenheiro Obed Alexander Córdova Lobatón concluiu, em mestrado apresentado em fevereiro último, que a bomba de calor aquece a água pela metade do custo de um chuveiro elétrico. Enquanto o dispêndio do sistema proposto é de 0,145R$/kWh (reais/quilowatt hora), o do chuveiro elétrico chega a 0,32R$/kWh. Obed Lobatón estimou para os cálculos os custos de investimento inicial e de operação por um período de 15 anos, tempo estimado para a vida útil da bomba de calor projetada. O pesquisador contou com bolsa de estudo concedida pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

“Por um lado temos uma redução do consumo de energia elétrica, que é evidente. Mas, em contrapartida, o investimento inicial na bomba de calor é maior. A dificuldade da popularização das bombas de calor é justamente essa. O trabalho do Obed envolveu estudos sobre a parte técnica e econômica. As equações da termodinâmica e da transferência de calor foram acopladas às equações econômicas para definir o custo global do projeto – custo inicial mais o custo de operação de 15 anos. A novidade foi tornar o projeto viável não somente tecnicamente, mas também economicamente, para enfrentar o problema da popularização da bomba de calor”, avaliou o docente.

Além disso, de acordo com Figueiredo, o sistema consome cerca de quatro vezes menos energia do que o chuveiro elétrico, como demostrou artigo do seu orientado na graduação, o aluno Bruno Fagundes Flora. O trabalho de Flora foi publicado em 2010, em conferência internacional, durante evento da Federação Internacional de Controle Automático, realizado em Portugal. O aluno recebeu apoio financeiro por meio do Fundo de Apoio ao Ensino, à Pesquisa e à Extensão (Faepex) da Unicamp.

Outra contribuição importante para o desenvolvimento do sistema foi dada pelo também aluno de graduação Luís Sérgio Wilke Mühlen, que iniciou o projeto detalhado de dois componentes fundamentais da bomba de calor: o evaporador e o condensador (trocadores de calor). A partir deste estudo, o engenheiro Obed Lobatón fez uma análise térmica e econômica, que permitiu reduzir custos de investimento e de operação por meio do desenho e dimensionamento de cada um dos trocadores. Foi utilizada a metodologia SQP (Programação Quadrática Sequencial) por meio do software MatLab®.

Acessível, mas ineficiente

Apesar de acessível, o chuveiro elétrico é um equipamento com enorme irreversibilidade termodinâmica, implicando em um alto gasto energético. Praticamente um kW elétrico é gasto para produzir um kW térmico. No Brasil, cerca de 80% dos domicílios utilizam a energia elétrica como fonte de aquecimento de água para banho, segundo dados do Sistema de Informação de Posses e Hábitos de Uso de Aparelhos Elétricos (Sinpha), da Eletrobrás. O aquecimento de água para banho e para uso doméstico corresponde a 10% de toda a energia elétrica consumida no país, conforme os indicadores do Sinpha, utilizados na pesquisa de Lobatón.

“Os sistemas de bombas de calor para aquecimento de água tornam-se imperativos no momento em que os custos de energia continuam crescendo no mercado mundial. É indispensável buscar, sistematicamente, mecanismos sustentáveis, para fornecer às pessoas os serviços energéticos de que necessitam a custos acessíveis”, defendeu, por e-mail, o engenheiro Obed Lobatón, que após a defesa do mestrado na Unicamp, voltou ao Peru, sua terra natal, para trabalhar em uma companhia energética do país.

Em certo momento, na década de 1990, a Companhia Paulista de Luz e Força (CPFL) chegou a considerar a viabilidade das bombas de calor como forma de reduzir o consumo residencial, lembrou o professor da FEM. “A CPFL , quando era estatal, chegou a pensar em financiar bombas de calor para as pessoas reduzirem o consumo, porque um chuveiro elétrico consome muita energia. E o custo inicial de você aumentar 5 kW na rede elétrica é muito alto. Mas a ideia foi abandonada”, lamentou Figueiredo.

Princípio

Funcionando com base em um dos fundamentos da termodinâmica, a bomba de calor é uma máquina que extrai calor de uma fonte térmica e transfere esta energia para outra fonte, de maior temperatura e em diferente proporção. Geladeiras, freezers, aparelhos de ar condicionados são exemplos de bombas de calor presentes no dia a dia. O princípio de funcionamento deste sistema provém do postulado do engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) e da concepção teórica posterior de Lord Kelvin (1824-1907). Conforme José Figueiredo, as tecnologias das bombas de calor são amplamente utilizadas, principalmente para fins industriais, devido ao custo dos equipamentos, que são importados.

Reservatório acoplado

otimiza funcionamento

 
Os estudos envolvendo a bomba de calor na FEM incluem também o desenvolvimento de um reservatório acoplado para otimizar ainda mais o funcionamento do sistema. Este reservatório está sendo elaborado pelo engenheiro Bruno Gimenez Fernandes. O trabalho de Gimenez aprimora a simulação da bomba de calor desenvolvida por Obed Lobatón, incluindo as perdas de carga internas à máquina.

O reservatório acoplado à bomba de calor permitirá, segundo o orientador José Figueiredo, um armazenamento de calor, de modo que o sistema possa trabalhar em horário distinto do de consumo. “Isso pode funcionar muito bem, por exemplo, com os casos de tarifa elétrica diferenciada. Pode-se usar a bomba de calor no momento de tarifa baixa e usar o calor gerado a qualquer outro momento. Essa é uma alternativa para diminuir o pico de energia elétrica, que para o chuveiro coincide fortemente com o pico de consumo no geral”, propõe.

No futuro, as pesquisas devem ganhar um novo fôlego com a modelação de uma bomba de duplo efeito, anima-se Figueiredo. “São quatro pesquisas com possibilidade de continuação, quando incluirmos a bomba de duplo efeito. Seria o uso de uma única máquina para produzir frio e calor. Em um prédio residencial, você pode usar o calor para o chuveiro e o frio para o condicionamento de ambiente. É uma questão de estudar e verificar a viabilidade de uma máquina só ou duas. Temos que pesquisar, modelar, simular…”, suscita o docente.

■ Publicações

Artigo
Flora, B. F., Figueiredo, J. R. Heat pump for heating water for domestic purposes using a varying speed in Conferência sobre Metodologias e Tecnologia de Controle para a Eficiência Energética, promovida pela International Federation of Automatic Control (IFAC), Portugal, 2010.

Dissertação: “Otimização térmica e econômica de bomba de calor para aquecimento de água, utilizando programação quadrática sequencial e simulação através do método de Substituição-Newton Raphson”
Autor: Obed Alexander Córdova Lobatón
Orientador: José Ricardo Figueiredo
Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM)
Financiamento: Capes