AUXILIARES DE AQUECI MENTO DE ÁGUA

A presente invenção refere-se a um conjunto integrado de elementos de sensoreamento, de processamento de dados e de controle de fluxos de água que se prestam à otímização e controle de aquecimento de água para reservatórios térmicos domiciliares, comerciais ou industriais. Sua ação fica centralizada num microprocessador acoplado, por meio de interfaces, a sensores térmicos instalados na caixa d'água, no coletor de calor e no reservatório de água quente; a válvulas hidráulicas eletromecâmeas de fluxo; a bomba de água e a sensores de nível de água nos vasos (caixa d'água e "boiier"), e que, segundo programação pré-definida, controla o acúmulo de energia térmica da água no painel solar de coleta de calor e sua distribuição em aquecimento de água e seu reaquecimento dentro do "boiier", seja por circulação de água aquecida em serpentina do interior do boiier, seja por ativação de resistência elétrica de aquecimento auxiliar e casos de necessidade.

Uma queixa frequente de usuários de sistemas de aquecimento de água baseados em coíetores solares de calor é a de que a água armazenada não fica suficientemente quente no inverno e fica demasiadamente quente no verão, isto se deve ao fato de que a vazão de água pelo coletor solar de calor é fixa e predeterminada, o que implica que em dias dè maior frio e menor insolação, determinada vazão de água peto coletor solar de calor determinará elevação de temperatura em um determinado valor "X". Ocorre que, caso a temperatura inicial da água seja muito baixa e este valor "X" de elevação da temperatura fo pequeno para dada vazão predeterminada, a temperatura final da água coletada no reservatório de água aquecida ainda será pouco apropriada para um banho confortável. Uma solução parcial para este problema é a diminuição da vazão da água no coletor de calor, o que determina captação da potência de radiação solar por mais tempo e, assim, acúmulo de mais energia térmica para dada massa de água em comparação com a situação de maior vazão de água pelo coletor de calor. Além disto, uma vez estocada no reservatório de armazenamento de água aquecida, há perda contínua de energia térmica ao longo do tempo, de acordo com a capacidade de isolamento térmico do reservatório,

Situação diversa ocorre no verão, dada potência solar média por unidade de área é maior e, some-se uma duração do dia, o que impiica que para dada vazão fixa de água, haverá rnâio aquecimento da água em trânsito pelo coleto de calor, em comparação com dias de inverno. Ademais, a temperatura inicial da água, na caixa d'água, tende a ser razoavelmente maior que o ocorrido no inverno, de modo que a temperatura finai da água armazenada, em tal época do ano, tende a ser superior que a armazenada no inverno, A situação descrita, então, contraria as necessidades de cada época do ano, de modo que uma solução inventiva se fazia necessária para que se contornasse tal limitação dos atuais sistemas de çoleta solar de calor.

Com a ampliação da população mundial e, assim, da necessidade de número de residências e de estruturas de conforto para tal população, há um tendência de aumento progressivo da necessidade de energia para manutenção de tal conforto. Particularmente, o aquecimento de água para banho corresponde a uma parcela significativa de toda energia empregada no conforto de uma residência. Ademais, o programa Minha Casa Minha Vida, do governo federal, que impôs a necessidade de implantação de sistemas de coleta solar de calor para aquecimento de água de banho em todas residências financiadas pelo programa, determinou um custo económico paralelo; o conforto de toda esta massa populacional implica maior consumo energético da rede de distribuição elétríca, o que pode ocasionar picos de consumo que deflagrem colapso do sistema de distribuição de energia ou mesmo o consumo de recursos naturais em escala acelerada, para manutenção deste nível de conforto. Assim, a elaboração de um sistema que otimize a disponibilização de água aquecida para residências, com um custo energético muito baixo, a um custo financeiro muito baixo, determinando baixa probabilidade de necessidade de emprego de sistemas de gás ou energia eiétrica para aquecimento auxiliar da água, faz|a-se necessária como próximo passo do implemento de conforto com economia para a população brasileira e para a população de todo mundo. Verífica-se que ainda não existe um sistema de controle de aquecimento automático, eficiente e de baixo custo como este que proponho. Os melhores atualmente disponíveis ficara verificando a temperatura da agua no reservatório e verificando a aproximação de horário pré-definido em que a água deva estar aquecida mediante emprego de queima de combustível ou ativação de resistência elétríea. Caso a temperatura de água do reservatório ainda não seja a pré-programada num determinado horário também pré-definido, o aparato liga uma resistência elétrica ou um aquecedor a gás para que a temperatura atinja o ponto pré-definido no horário em que o usuário determinou que isto devesse ocorrer. Isto implica que, dado o sistema de coleta solar de calor não ter sido suficientemente eficiente, um sistema paralelo é acionado, gerando custos em termos de insumos energéticos. Contudo isto não deveria ocorrer, uma vez que, segundo o ATLAS SOLARIMÉTRICO do BRASIL, numa região como Campinas-SP, onde resido, a menor intensidade de insolação ocorre no inverno e é de Cerca de lOMJ/m ² com duração do dia mais curto do ano de 10 horas e 13 minutos. Assim, con side ando -se 50% de rendimento do processo de coteta solar de calor (coletor solar intermediário na classificação do Inmetro, de cerca de 50% de eficiência), e a duração mínima do dia no solstício de inverno (cerca de lOh e 13 minutos de duração do dia), ter-se-íam 10MJ de energia por cerca de 10 horas ao dia multiplicados por 50% para cada metro quadrado de área de coletor de calor solar, sto resulta em 70MJ de energia ao dia/m ² , que, convertido para calorias resulta em (1 Joule = 0,239005736 cal) cerca de 16.730 kcal/dia.m ² . Isto é a energia necessária para elevar a temperatura de cerca de 260 litros de água em 65°C. Considerando-se a água da caixa d^gua a 5°C, num dia de extremo frio, o painel solar de aquecimento poderia produzir 260 litros de água a 70°C. Considera ndo-se a mistura de águas quente e fria para um banho a cerca de 40°C, o que implicaria 7 partes de água a 70°C para cada 6 partes de água a 5°C, ter-se-iam cerca de 480 litros de água para banho a 40°C. Considerando um banho de cerca de 10 minutos por pessoa, com consumo de cerca de 8 litros por minuto, ter-se-iam volumes de água para banho de 6 pessoas, numa vazão de água considerada de extremo conforto pelo Inmetro (Razoável: 4 a 5 l/min; confortável: 5 a 6 l/min; conforto ótimo: 6 a 8 l/min; conforto excelente: 8 â 10 l/min; exagero: acima de 10 I/min). Assim, reitero que um sistema microprocessado que aumente muito a eficiência de coíeta de calor e manutenção de temperatura de água armazenada implicaria um grande benefício social Tai sistema já existe e foi desenvolvido e testado por mim, com resultados surpreendentes,

O sistema se baseia na operação de um circuito lógico programável. Tal circuito poderia ser um conjunto de chaves lógicas, um CPLD, um FPGA associado a um CPLD ou um microprocessador de tecnologias RISC, PSC ou ARM. Dada função muito específica deste processador, opta-se pelo que tenha menor custo com alguma robustez (confiabilidade de funcionamento por longos períodos), fsío caso, optou-se, inicialmente, pelo uso de um CPLD de baixo custo e baixo consumo de energia em operação, contudo para esta patente, solícito o registro do processo, que pode empregar qualquer circuito lógico programável, como os descritos acima.

O circuito programado por mim, empregando-se o software e interfaces da altera devices, que é o centro do sistema, liga-se a outros elementos eletrônicos, a saber, transistores, optoacopladores/optoisoíadores (as duas terminologias são empregáveis), circuitos de digitalização de sinais de termopares, elementos passivos para chaveamento de interface para com usuário e a um dispíay, para que o usuário receba informações acerca do funcionamento do dispositivo. Os optóacopladorés servem de interface para com válvulas eletromecânicas de controle de fluxo e para com bomba de água para recífculação e reaquecímento de água estocada. Um dos optóacopladorés fica ligado a um relé que acíona uma resistência elétrica que forma um sistema auxiliar de aquecimento de água. Cireuitos de digitalização de sinais oriundos de termopares fornecem ao circuito central do sistema informações quanto às temperaturas da água em pontos chave do sistema de coleta e do sistema de armazenagem de água aquecida. Chaves lógicas simples fornecem ao circuito central informações quanto ao volume aproximado de água na caixa d'água e no reservatório de água aquecida. O circuito de alimentação é dividido em dois grupõs ambos alimentados por uma fonte de corrente contínua de tensão 12V. Um dos grupos tem sua tensão diminuída e Sua corrente retifi ada e alimenta o "centro nervoso" do sistema e alguns efementos periféricos: microprocessador, optoacopfadores, circuitos de digitalização dos termopares e chaves lógicas dos sensores de volume de água. O segundo grupo da alimentação fica direcionado aos elementos que consomem maior corrente no sistema: válvulas eletromeeânicas de controle de fluxo de água e bomba d ^{^} água. Um elemento extra é o optoacopiador que alimenta um felé que, por sua vez, acióna a resistência efétrica em casos de necessidade.

O funcionamento do algoritmo é diagramado na figura 1.

1. (Bóias) Sensores se conectam ao circuito integrado central, indicando os volumes de água de cada reservatório;

2. (Termopares) Termopares tipo K se conectam a circuitos integrados digitalizadores;

3. (Digitalizadores) Os circuitos digitalizadores conectados aos termopares, por sua vez, se conectam ao circuito integrado central e indicam as temperaturas de cada um dos pontos-chave do sistema;

4. (Controlador) e (Optoacopíadores) A partir dos dados fornecidos pelos sensores de temperatura e sensores de volume de água o circuito integrado central controlador aeiona optoacopíadores segundo possíveis situações pré-programadas;

5. (Aquecimento) Situação pré-programada 1: acionamento de duas válvulas eletromeeânicas, uma localizada entre a caixa d'água e o coletor solar de calor, outra localizada entre o coietor solar de eafor e o reservatório de água aquecida;

6. (Reaquecimento) Uma segunda situação pré-programada implica acionamento de válvula efetromecânica localizada entre o coletor sola de calor e uma serpentina de cobre localizada no interio do reservatório de água aquecida e de bomba d'água que conecta outra extremidade da serpentina de cobre inserta no reservatório de água quente à entrada de água do co!etor solar de calor;

7. (Auxiliar) Uma terceira situação pré-programada implica acionamento de relê, que por sua vez aciona uma resistência elétrica de aquecimento auxiliar inserta no reservatório de água aquecida;

8. Durante todos processos os sistemas de monitoramento permanecem ativos, reajustando continuamente as situações pré-programadas, de modo a se otimizar o armazenamento de energia térmica solar e minimizar o emprego de energia elétrica externa,

Um sistema experimental, na forma de aparelho operacional, foi devidamente montado e se encontra atualmente em teste operacional. Em ta! aparato, os componentes eíetrônicos foram escolhidos de acordo com o critério de menor preço, mas ievando-se em conta a robustez de tais componentes. Os circuitos escolhidos foram : circuito central é um CPLD Altera MAXH EPM24QT10QC5, os circuitos digttalizadores de sinais de termopares são MAX6657MSO, os termopares são do tipo K, os optoacopladores são do tipo FOD3180, o Relê é de modelo RELE JQX-59F 2T SOA 2S0V 8-DC12V TITGHA. Como o reservatório d água aquecida escolhido para teste não conta com resistência elétrica para aquecimento auxiliar, o optoacoplador associado ao relê passaram a ser ociosos, mas encontra m -se disponíveis para o caso de instalação de resistência elétrica auxiliar. Ao fim, o sistema de teste dos aparatos que montei ficou com a configuração ilustrada na figura 2.