Automação e otimização energética de uma unidade de aquecimento solar doméstica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014.Este trabalho aborda o aumento da eficiência energética de uma unidade de aquecimento de água para o banho, uma vez que 24% do consumo energético no setor doméstico é utilizado para esse fim. Além disso, o chuveiro elétrico, que está presente em aproximadamente 73% das residências brasileiras, é o principal responsável pelo pico da demanda energética que ocorre entre as 18h e 21h. Diante disso, propõe-se um sistema de aquecimento híbrido, que utiliza como fontes de energia a solar e a elétrica. O sistema é composto basicamente por coletores solares, um tanque de armazenamento e um chuveiro elétrico. Válvulas automáticas e controladores de potência são inseridos na planta para regular as temperaturas da água do boiler e do chuveiro e as vazões de água quente e fria durante o banho. Um microcontrolador é responsável por controlar todo o sistema, a fim de atender aos requisitos (temperatura e vazão do banho) definidos pelo usuário. O ajuste da abertura das válvulas e da potência do chuveiro é feito de forma automática, aumentando o conforto do usuário. Para garantir que a planta solar híbrida irá operar de forma a minimizar o consumo de energia elétrica e reduzir o erro de seguimento a referência, foi desenvolvida uma função de otimização. Como essa função requer uma grande capacidade de processamento, um algoritmo de controle sub-ótimo foi criado para que pudesse ser utilizado em microcontroladores mais simples e baratos. O sistema híbrido foi modelado matematicamente e as expressões foram validadas utilizando os dados adquiridos em um protótipo construído em Florianópolis, Santa Catarina. Testes de campo e simulações comprovaram que o sistema proposto é economicamente viável, economizando expressivas quantidades de energia elétrica e água se comparado aos sistemas tradicionais. Ao tomar como base a média anual do clima de Florianópolis, a planta solar híbrida é capaz de reduzir o consumo de energia elétrica em mais de 78%. Além disso, o sistema solar proposto, se comparado a uma planta solar tradicional, evita o desperdício do volume de água que fica acumulado no encanamento entre o boiler e o chuveiro, o que pode representar uma economia superior a 4 mil litros de água por ano para uma família com quatro pessoas.<br>Abstract : This work addresses the increasing energy eciency of a heating waterunit for bath. This motivation is based on the fact that 24% of energyconsumption in the domestic sector is used for this purpose. Moreover,the electric shower, which is used in approximately 73% of Brazilianresidences, is the main responsible for the peak energy demand thatoccurs between 18h and 21h. Therefore, a hybrid heating system usingsolar and electric energy is proposed. The system is basically composedof solar collectors, a storage tank and an electric shower. Automaticvalves and power controllers are used in the plant to regulate watertemperature inside the boiler and in the shower, and to control hot andcold ow rates during bath. A microcontroller is responsible to controlthe entire system, in order to meet the requirements (bath temperatureand water ow) dened by the user. The adjustment of valveopening and shower power is done automatically, enhancing the comfortfor the user. To ensure that the hybrid solar plant will operate tominimize energy consumption and reduce the reference tracking error,an optimization function was developed. Since this function requiresa large processing capacity, a suboptimal control algorithm was createdso it could be used in simpler and cheaper microcontrollers. Thehybrid system was mathematically modeled and expressions were validatedusing data acquired on a prototype built in Florianopolis, SantaCatarina. Field tests and simulations showed that the proposed systemis economically viable, saving signicant amount of energy and watercompared to traditional systems. Based on the annual average of theclimate in Florianopolis, the hybrid solar plant is able to reduce energyconsumption by more than 78%. Moreover, the proposed solar system,compared to a traditional solar plant, avoids wasting the volume ofwater that gets accumulated in the pipeline between the boiler and theshower, which may represent an economy greater than 4000 liters ofwater per year, considering a family with four people