Utilização de resíduos de madeira e lenha como alternativas de energias renováveis para o desenvolvimento sustentável da região nordeste do estado do Rio Grande do Sul

Para alcançar o desenvolvimento sustentável a energia tem um papel chave, sendo responsável por boa parte da poluição em todas as atividades humanas. O uso de energias renováveis é altamente desejável quando se quer reduzir ou eliminar essa poluição sem perder a oportunidade de desenvolvimento de uma atividade produtiva qualquer. No presente trabalho delimitou-se a região alvo como sendo o extremo nordeste do estado, conhecida como “Campos de cima da Serra”, a qual possui características comuns que facilitam a aplicação do estudo. Estudou-se duas alternativas que atendem as condições de sustentabilidade, por serem renováveis, e o atendimento em pequena escala, fator predominante para que se possa viabilizar pequenos empreendimentos em locais de difícil acesso e baixa densidade demográfica, características comuns da região em estudo. A utilização de resíduos em pequenas serrarias tem características e dificuldades peculiares que foram analisadas com cuidado para oferecer a melhor alternativa do ponto de vista técnico, econômico e ambiental. O conhecimento do porte, do tipo de madeira produzida e, consequentemente, do tipo de resíduo gerado, além das necessidades energéticas das empresas, é fundamental para selecionar a melhor alternativa e determinar a tecnologia mais adequada. O presente estudo mostrou que essa tecnologia é a gaseificação do resíduo e a utilização do gás produzido num motor de combustão interna. Obteve-se um gás combustível possível de ser utilizado, desde que sua limpeza seja feita adequadamente. Nas residências da região é muito comum a utilização do fogão a lenha devido ao clima frio. Ao mesmo tempo se observa que o aquecimento de água para o banho é feito com chuveiro elétrico, equipamento barato, mas de alta demanda de potência. Essa característica prejudica o abastecimento de energia elétrica da região, já com dificuldades por ser ponta de rede. Estudou-se um equipamento auxiliar que pode ser usado em conjunto com o fogão a lenha para aquecer água nas residências, liberando energia elétrica para outras cargas mais nobres e diminuindo os níveis de queda de tensão principalmente no horário de ponta. O estudo determinou a potência útil do equipamento e identificou possíveis dificuldades que devem ser evitadas. A análise das perdas mais significativas permite que se otimize o sistema a partir dos dados levantados.

Mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico no estado do Rio Grande do Sul

A energia solar e a energia eólica são fontes de energias renováveis com potencial inesgotável e que não liberam contaminantes ao meio ambiente. O uso destas energias em conjunto, explorando a sua complementaridade, pode viabilizar economicamente e permitir um uso confiável deste sistema, denominado sistema híbrido fotovoltaico-eólico, podendo ser um sistema autônomo de geração de energia elétrica. Dependendo das aplicações, o sistema híbrido fotovoltaico-eólico pode apresentar vantagens em comparação ao sistema que utiliza somente uma das fontes de energia solar ou eólica, dito singelo. A elaboração de mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico no Estado do Rio Grande do Sul, permitiria um melhor aproveitamento de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico neste Estado do Brasil. O uso desses mapas é de grande valia para a identificação de potenciais locais geográficos para o emprego de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul. Através de uma pesquisa dos dados existentes e dos métodos utilizados para estimar a radiação solar e a velocidade dos ventos, obtiveram-se valores das médias trimestrais correspondentes às quatro estações do ano (verão, outono, inverno e primavera) e a média anual, que possibilitaram a elaboração dos mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico para serem utilizados em sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul para estes períodos. A metodologia utilizada para a obtenção dos dados de mapas da velocidade dos ventos a 10 metros de altura no Estado do Rio Grande do Sul fez uso de um programa de leitura de mapas de velocidade do vento a 50 metros de altura e de rugosidade e, após foi feita a correção para obtenção da velocidade do vento a 10 metros de altura. Os dados referentes à radiação solar horizontal também sofreram uma correção da inclinação, para a obtenção da radiação incidente em uma superfície inclinada, de forma a obter-se o melhor rendimento do módulo fotovoltaico. A conclusão obtida é que existem regiões no Estado do Rio Grande do Sul que apresentam um potencial energético fotovoltaico-eólico que viabilizariam o uso dos sistemas híbridos fotovoltaico-eólico, possibilitando uma opção a mais para o uso de energias alternativas.

Análise experimental e numérica do comportamento térmico de um coletor solar acumulador

Esta tese apresenta um estudo do comportamento térmico de um coletor solar acumulador e desenvolve uma metodologia para medir a sua eficiência diária. O coletor solar acumulador está instalado na face norte do prédio de Energia Solar da UFRGS e possui cerca de 26 m2. É constituído de uma massa espessa de concreto com uma superfície absorvente feita de tijolos, possuindo uma cobertura dupla de vidros colocada de modo a deixar um espaço para a circulação de ar. Os raios solares atravessam a cobertura de vidro e aquecem a massa absorvente de tijolo, a qual aquece o ar que é introduzido no interior da construção por efeito de termossifão. Uma das principais características do coletor solar acumulador consiste no fato de que a resposta do coletor é defasada no tempo. Este fenômeno permite que o coletor entregue calor ao ambiente mesmo após o término da radiação solar. Essa defasagem dos picos de energia térmica ocorre devido ao baixo valor da difusividade térmica do concreto. Este trabalho foi dividido em duas etapas. A primeira etapa consistiu na montagem de um calorímetro para controle e monitoração das variáveis envolvidas. No interior do calorímetro foram instaladas 36 garrafas com água. As temperaturas dos conteúdos das garrafas, do coletor solar e as radiações envolvidas foram monitoradas através de 26 sensores de temperatura de CI, 8 sensores resistivos PT100 e dois sensores de radiação fotovoltaicos. Para obter as medidas dos sensores instalados foi feita a montagem de um sistema de aquisição de dados interfaceado a um microcomputador A segunda etapa consistiu na produção de um programa computacional, escrito em linguagem Fortran 90, para simular o comportamento térmico dos diversos elementos constituintes do coletor, determinar a potência térmica do coletor solar e sua eficiência diária. Para a simulação numérica do coletor solar acumulador, adotou-se um modelo simplificado bidimensional do mesmo. Foi integrada, através do Método dos Volumes Finitos, a equação de difusão de calor transiente em 2 dimensões. Na formulação das equações lineares optou-se pelo emprego das diferenças centrais no espaço e formulação explícita no tempo. Ao todo foram produzidas 4 malhas computacionais, com distintos refinamentos e foi realizado o estudo da estabilidade numérica das diversas malhas. Através da montagem experimental obtiveram-se várias características térmicas do comportamento do sistema, entre as quais, a transmitância da cobertura, curvas de temperatura do ar fornecido ao calorímetro e curva da eficiência diária do coletor solar . Através da simulação numérica foi possível determinar a potência térmica que o coletor entrega para o laboratório, a eficiência do coletor, os campos de temperatura e a vazão mássica nos diversos canais interiores do coletor solar.

Análise de estruturas de concreto armado sujeitas à corrosão de armadura por cloretos através do método dos elementos finitos

A corrosão da annadura é um dos principais problemas para um grande número de es1ruturas de concreto annado por causa da redução substancial da área de aço, da perda de aderência, da fonnação de fissuras e lascamento do concreto. O modelo tridimensional proposto por este trabalho é baseado no processo de corrosão iniciado por ataque de cloretos e propagado a partir de micropilhas de corrosão, utilizando o método dos elementos finitos. A influência da temperatura, da umidade relativa do concreto, da ligação dos cloretos com compostos do concreto, da fonnação de fissuras provenientes do carregamento e da resistência ôhmica do concreto são levados em consideração. O modelo é dividido em 4 módulos que interagem entre si, sendo eles: análise estrutural, transferência de calor, difusão de cloretos e corrosão eletroquímica. O modelo computacional para a análise estrutural utiliza dois procedimentos. No primeiro busca-se a resposta da estrutura para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com comportamento elasto-viscoplástico, associado com modelos de annadura incorporada e fissuras distribuídas.No segundo, detennina-se a resposta da estrutura ao longo do tempo com a teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1989), utilizando as cadeias Kelvin, apresentando ótimos resultados com uma grande economia computacional. O processo de transferência de calor é baseado na fonnulação tridimensional da equação de Helmholtz, com condições de contorno de fluxos provenientes da radiação solar, convecção e radiação, apresentando bons resultados em relação a fonnulações analíticas. Para análise de vigas com a variação da temperatura média diária, constatou-se que as mesmas se encontram em equilíbrio ténnico com o ambiente A análise de difusão de cloretos implementada apresentou um comportamento idêntico ao da segunda lei de Fick para casos unidimensionais. Para análises de vigas carregadas se constatou que as fissuras provenientes de cargas de serviço não influenciam o processo de difusão e que o coeficiente de difusão referencial é o principal parâmetro na análise. O modelo de corrosão eletroquímica é baseado na fonnulação proposta por Liu (1996), obtendo-se como resultado a taxa de corrosão em função do tempo.

Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações.

Eficiência de uso da radiação fotossinteticamente ativa pelo tomateiro cultivado em diferentes ambientes

A produção de biomassa pelas culturas está relacionada à quantidade de radiação fotossinteticamente ativa (RFA) interceptada e absorvida pelas folhas, bem como à eficiência com que estas convertem a energia radiante em energia química, através da fotossíntese. Esta capacidade de conversão é considerada como sendo a eficiência de uso da RFA. Com o objetivo de avaliar a eficiência de uso da RFA do tomateiro, cultivado em diferentes ambientes, foram conduzidos experimentos em estufa plástica com tela lateral anti-insetos (CT), em estufa plástica sem tela (ST) e a céu aberto (Fora). Os trabalhos foram executados em duas épocas (primavera-verão e verão-outono), no ano agrícola de 1999/2000, no Centro de Pesquisa Veterinária Desidério Finamor - FEPAGRO, em Eldorado do Sul, RS. Foram feitas medições de matéria seca aérea e índice de área foliar (IAF) ao longo dos dois ciclos. Os fluxos de RFA incidente e transmitida foram registrados a cada 30 minutos. No conjunto de todos os dados o coeficiente de extinção da cultura foi de 0,57. A fração absorvida de RFA, em relação à RFA interceptada, foi de 0,90. O ambiente CT teve menos RFA incidente, mas proporcionou maior eficiência de uso de RFA (0,44 e 0,60 g de MS mol-1 de RFA nos primeiro e segundo ciclos, respectivamente). No ambiente Fora, com mais RFA incidente, houve menor eficiência de uso da RFA (0,30 e 0,32 g mol-1 de RFA nos primeiro e segundo ciclos, respectivamente), enquanto que o ambiente ST permitiu valores intermediários de eficiência de uso da RFA (0,45 e 0,53 g mol-1 de RFAint). A maior eficiência de uso da RFA, no interior de estufa, esteve associada ao maior IAF e à maior produção de biomassa da cultura.

Eficiência e forma do brise-soleil na arquitetura de Campo Grande-MS

O objetivo deste trabalho é estudar a utilização de brise-soleil na arquitetura, analisando as relações entre sua eficiência ambiental e participação no resultado plástico e formal dos edifícios, a partir da análise de exemplares da arquitetura de Campo Grande – MS. O trabalho examina os aspectos relevantes da aplicação do brise-soleil para obtenção do conforto térmico e racionalização do uso de energia nas edificações de clima quente e como resposta à intensiva utilização de superfícies envidraçadas nas edificações. Aborda os fatores que levaram ao desenvolvimento dos brises por Le Corbusier, sua incorporação e difusão no repertório da arquitetura moderna brasileira, especialmente em Campo Grande – MS. Analisa também o período posterior de predomínio dos fechamentos envidraçados com condicionamento térmico artificial e o período recente de nova consciência ambiental com revalorização dos sistemas passivos de condicionamento. A pesquisa parte da hipótese de que os brise-soleils, quando utilizados criteriosamente, além de contribuírem de maneira acentuada na proteção contra os ganhos térmicos advindos da radiação solar, constituem importante elemento arquitetônico para a definição formal, acentuando ou, muitas vezes, constituindo o próprio caráter arquitetônico dos edifícios. Procura demonstrar esta hipótese analisando trinta exemplares significativos da arquitetura de Campo Grande – MS.

Compatibilidade entre eficiência energética e eficiência econômica numa empresa rural

A tecnologia de produção agrícola convencional está baseada no alto consumo de energia fóssil – o petróleo –, devido, principalmente, ao uso intensivo de fertilizantes químicos, agrotóxicos, maquinaria pesada e combustíveis. Este modelo agrícola não é viável no longo prazo por dois motivos: além de ser de baixa eficiência energética, os aumentos crescentes do preço da energia, devido à perspectiva de escassez (recurso finito), afetam cada vez mais os custos de produção agrícola, tornando os preços dos produtos agrícolas proibitivos para a maioria das populações. Em segundo lugar, este modelo tem contribuído para a depauperização do solo (capital básico), através do desequilíbrio biológico e desestruturação física, além da contaminação ambiental e dos produtos produzidos. Dentro deste contexto, este trabalho procura mostrar a importância da análise da eficiência energética na empresa rural, ao lado da análise econômica. Através da programação linear, analisa a máxima eficiência energética e máxima eficiência econômica na empresa e respectivas estruturas de produção e consumo de recursos, considerando as variações no preço da energia. As principais conclusões foram: com a tecnologia hora em uso na agricultura, à uma eficiência econômica máxima da empresa rural, está associada uma eficiência energética mínima; a eficiência energética varia em sentido inverso à eficiência econômica; a medida que o preço da energia aumenta, a eficiência energética aumenta, a eficiência econômica cai, os recursos produtivos mais intensivos energeticamente (principalmente fertilizantes químicos), tornam-se menos competitivos, cedendo lugar aos menos intensivos energeticamente, como os adubos orgânicos Por fim, relaciona-se algumas sugestões para futuros trabalhos, enfocando principalmente o uso de tecnologias alternativas de produção, como: adubos orgânicos, tração animal, rotação e diversificação de culturas, adubação verde, energias alternativas, etc, com o intuito de: aumentar a eficiência energética, buscando a independência energética da empresa; melhorar o equilíbrio biodinâmico do solo, para garantir a produtividade no longo prazo; evitar a contaminação ambiental e do próprio homem, procurando produzir produtos biologicamente sadios, livres de resíduos tóxicos e, assim, garantir uma agricultura verdadeiramente autosustentável.

Critérios de projeto para escolas fundamentais bioclimáticas

Esta dissertação trata dos critérios para a elaboração de projetos para edificações escolares, em especial destinadas para a educação infantil e ensino fundamental, considerando a sua inserção no contexto ambiental, constituindo, assim, uma concepção arquitetônica bioclimática. Nessa perspectiva a implantação, a geometria, a organização espacial e os parâmetros construtivos do edifício contribuem na materialização de espaços adequados aos requisitos didático-pedagógicos e funcionais e, em especial, às exigências de conforto ambiental dos usuários, de maneira que a escola, na sua configuração física, se constitua em um elemento promotor do desenvolvimento intelectual, social e afetivo da criança. A partir da concepção global baseada nos princípios da bioclimatologia, o trabalho estabelece as necessidades para condicionamento ambiental determinadas pela caracterização climática de Passo Fundo – RS (clima subtropical úmido de altitude), explorando as estratégias solares passivas que utilizam a própria envoltória da edificação na seleção daqueles elementos ambientais externos favoráveis ao aquecimento, resfriamento, ventilação, proteção à radiação solar e iluminação, a fim de agregar aos critérios funcionais de projeto para escolas a maximização do uso desses fatores naturais e a racionalização do uso de energias não-renováveis, tendo como objetivo contribuir para um gradual desenvolvimento sustentável O trabalho aborda a legislação existente pertinente às edificações escolares, bem como apresenta exemplos de escolas solares passivas, com a aplicação de estratégias válidas para as condições locais, confrontadas com estudo de caso simplificado, a fim de que a implementação das sugestões apontadas demostre a sua viabilidade de aplicação.

Eficiência das estantes de luz nas aberturas : estudo de quatro casos

Essa dissertação preliminarmente estuda a evolução das aberturas na história da arquitetura; as características termofísicas de alguns materiais de construção; a incidência da radiação solar sobre superfícies horizontais; a relação das medidas e posições das estantes de luz com as medidas dos ambientes, com as paredes e com a fachada; a execução industrializada de estantes de luz, utilizando-se de medidas modulares; a utilização de superfícies horizontais nos peitoris das aberturas, na forma de balcões, projetados para fora das fachadas de três salas para escritórios em dois edifícios na cidade de Porto Alegre; e analisa detidamente quatro casos de utilização de estantes de luz nas aberturas através de quatro maquetes, nas quais se mede a iluminância obtida no interior dos ambientes de uma biblioteca, de uma sala de aula, de uma loja comercial térrea e de uma sala comercial. Os resultados são representados em gráficos de curvas isolux. Foi analisado também, na sala de escritório, a contribuição de carga térmica para o ambiente. Verificou-se que as estantes de luz e as superfícies horizontais junto às aberturas contribuem para o aumento de iluminância no interior das salas e que, para cada caso específico, deve-se adotar uma estratégia própria quanto à sua posição, dimensão, repetição e inclinação.

Análise energética de sistemas de aquecimento de água com energia solar e gás

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento de água combinando energia solar e gás como fontes energéticas. A ênfase desta análise está na influência que a forma de conexão dos coletores solares e do circuito da fonte auxiliar de energia ao reservatório exercem sobre a eficiência e o custo de operação do sistema. O trabalho engloba uma montagem experimental, caracterização de componentes, validação experimental de um programa de simulação, análises de eficiência utilizando o programa e análises econômicas com dados simulados. Na fase experimental desta Tese, foram montados três sistemas de aquecimento de água. Dois sistemas utilizando reservatórios verticais e um sistema utilizando reservatório horizontal. Os sistemas foram montados com componentes similares: reservatórios metálicos isolados termicamente com capacidade de 600 litros (verticais), reservatório de polietileno isolado termicamente com capacidade de 600 litros (horizontal), 2 coletores solares de placas planas, tubulação de cobre e aquecedores a gás de passagem de 7,5 l /min. Os componentes foram caracterizados mediante a curva de eficiência dos coletores solares, eficiência dos aquecedores a gás de passagem e o coeficiente de perdas térmicas dos reservatórios Sensores foram instalados para monitorar os sistemas em operação. Os sinais dos sensores foram medidos através de uma central de aquisição de dados conectado a um computador. Temperaturas, irradiância solar, consumo de gás e consumo de água foram registrados ao longo do tempo. Os resultados experimentais foram comparados com resultados calculados por meio de um programa desenvolvido no Laboratório de Energia Solar apresentando boa concordância. Utilizando o mesmo programa determinou-se a configuração do sistema de aquecimento de água com energia solar e gás mais eficiente para a cidade de Porto Alegre com um determinado perfil de consumo. Outros tipos de sistemas de aquecimento de água foram simulados para atender o mesmo perfil de demanda. Análises econômicas comparando estes sistemas entre si foram realizadas considerando diversos cenários econômicos.

Estudo do desempenho de um sistema de aquecimento de água por energia solar e gás

A energia solar esta sendo cada vez mais utilizada para o aquecimento de água, tanto para o uso industrial, comercial e residencial, apresentando, esta última, um crescimento muito expressivo nos últimos anos, devido às ações de marketing de algumas empresas do setor. Para manter a temperatura da água do reservatório nas condições estabelecidas para o uso é necessário à utilização de uma fonte de energia auxiliar. As duas fontes de energia auxiliar mais empregadas nos sistemas de aquecimento de água por energia solar são a eletricidade e o gás. A escolha do gás como fonte auxiliar de energia, apesar de apresentar um investimento inicial superior ao da energia elétrica, representa um menor custo operacional em longo prazo. Na presente dissertação foram realizadas simulações computacionais para a cidade de Porto Alegre - RS, através do aplicativo TERMOSIM, com a finalidade de analisar o comportamento energético de um sistema de aquecimento de água por energia solar, por circulação natural (termossifão), utilizando como fonte de energia auxiliar o gás. Esta análise foi desenvolvida com a variação de parâmetros construtivos, de parâmetros de utilização e dos parâmetros de qualidade dos materiais e, ainda, com a caracterização dos componentes da instalação. Para a execução do trabalho foram realizadas 3456 simulações. Considerando os resultados obtidos foram elaboradas tabelas e gráficos, por meio dos quais verificou-se a influência do número de coletores, do volume do reservatório, da altura do termostato, da razão de aspecto do reservatório, do consumo de água quente e da qualidade dos coletores sobre a eficiência do sistema. O aplicativo demonstrou coerência nos resultados gerados, motivo pelo qual foi possível identificar, por meio da análise dos mesmos, quais os parâmetros que exercem maior influência no desempenho do sistema de aquecimento de água. Combinando os resultados, foi desenvolvida uma equação para estimar a eficiência média mensal do sistema.