Economia e eco-eficiência de sistemas de aquecimento de água para conjuntos verticais na zona intertropical: revisão da literatura de experimentos e estimações para o nordeste do Brasil

Abstract

As tecnologias de aquecimento de água capazes de substituir o chuveiro elétrico (ChE), com ganhos de eficiência física e econômica, constituem soluções recomendadas por organismos mundiais. São rotas procuradas por economias como a Austrália, os EUA, a China e o Brasil, particularmente as que usam a energia solar em regime de termossifão e híbridas. A presente pesquisa voltou-se à revisão da literatura relativa aos experimentos de eficiência hídrica e energética de seis sistemas de aquecimento de água, com estimações para conjuntos verticais na zona intertropical. A literatura é voltada, fundamentalmente, às viabilidades térmica, econômica e de materiais dos sistemas, mas incipiente quanto às ecoeficiências. A revisão objetivou identificar as principais tendências e envolveu 107 artigos, livros e capítulos de livros, 28 dissertações, 06 teses, 04 normas e um relatório federal, pelo Portal de Periódicos da Capes, desde 2000. Cinco tendências foram identificadas: 1) comercial, voltada à construção civil, hotéis e resorts; 2) residencial, voltada a sistemas prediais; 3) social, voltada a condomínios de interesse social, vilarejos populares e rurais; 4) econômica, centrada nas restrições orçamentárias; 5) computacional, voltada a otimização, softwares, controle e incertezas. Foi desenvolvida metodologia de cálculo dos custos contábeis e de oportunidade dos sistemas, eficiências hídrica e energética, quando inseridos no macrossistema ecológico, considerando as emissões de CO2 equivalente face à configuração da matriz energética local, em quatro cenários: com e sem desperdício hídrico, com e sem efeito estufa. Um Índice de Economicidade-Ecoeficiência (EEI) foi criado para hierarquizar os sistemas. Em ordem decrescente, em cenário sem desperdícios hídricos e considerando o efeito estufa, na Bahia: 1º) Sistemas de Aquecimento Solares (SAS) de baixo custo com placa de Policloreto de Vinilo e de Polipropileno, EEI  50%, distinguindo-se o de PVC por ter uma maior eficiência energética e provocar menor efeito estufa; 2º) SAS Convencionais, EEI  36%; 3º) Bomba de Calor, EEI  24%; 4º) Bomba de Calor flex, EEI  15%. Ampliando o alcance das inferências, as variáveis de entrada receberam tratamentos probabilísticos e avaliação de incertezas, propagadas aos custos totais acumulados, unitários e EEI. Pelo princípio da entropia máxima, distribuições distintas dos inputs geraram outputs estocásticos com 1e+6 Simulaçoes de Monte Carlo (SMC), com recurso à programação em R e com o software Oracle® Crystal Ball, cujas médias e medianas mostraram-se iguais ou menores que os resultados determinísticos, dada a probabilidade de serem menores ou iguais o número de pessoas, banhos/dia, comprimento da tubulação. A hierarquia foi a mesma. O ChE obteve EEI nulo, tendo a menor eficiência energética. A aquisição e a manutenção do ChE são baratas, mas ele opera de forma mais custosa pelo uso da eletricidade e, por isto mesmo, é mais deletério ambientalmente. Os SAS mostraram-se mais adequados no Nordeste do Brasil, com baixo consumo de energia auxiliar, minimizando emissões de CO2 a montante. O potencial ecológico e macroeconômico dos SAS de baixo custo é singular em toda região intertropical. A bomba de calor é eficaz e requer escala para ser acessível.

The water heating technologies capable of replacing the electric shower (ChE), with gains of physical and economic efficiency, are solutions recommended by organisms worldwide. These are routes sought by economies such as Australia, the US, China and Brazil, particularly those using thermosyphon and hybrid solar power. The present research turned to the review of the literature on the experiments of water and energy efficiency of six water heating systems, with estimates for vertical sets in the intertropical zone. The literature is focused, fundamentally, on the thermal, economic and material viability of the systems, but incipient regarding ecoefficiencies. The review aimed to identify the main trends and involved 107 articles, books and book chapters, 28 dissertations, 06 theses, 04 standards and a federal report, from the Portal of Journals of Capes since 2000. Five trends were identified: 1) commercial, focused on construction, hotels and resorts; 2) residential, oriented to building systems; 3) social, aimed at condominiums of social interest, popular and rural villages; 4) economic, centered on budgetary constraints; 5) computational, focused on optimization, software, control and uncertainties. A methodology was developed to calculate the accounting and opportunity costs of the systems, water and energy efficiencies, when inserted in the ecological macrosystem, considering CO2 emissions equivalent to the local energy matrix configuration, in four scenarios: with and without water waste, with and without greenhouse effect. An Economics-Eco-Efficiency Index (EIS) was created to hierarchize systems. In descending order, in a scenario without water waste and considering the greenhouse effect, in Bahia: 1º) Low-cost solar heating systems (SAS) with polyvinyl chloride and polypropylene board, EEI  50%, distinguishing itself from PVC for having a greater energy efficiency and to cause less greenhouse effect; 2nd) Conventional SAS, EEI  36%; 3º) Heat Pump, EEI  24%; 4) Flex Heat Pump, EEI  15%. Extending the scope of the inferences, the input variables received probabilistic treatments and uncertainty evaluation, propagated to the total accumulated costs, unit and IEE. By the principle of maximum entropy, different distributions of the inputs generated stochastic outputs with 1e + 6 Monte Carlo Simulations (SMC), using R programming and Oracle® Crystal Ball software, whose averages and medians were equal or smaller that the deterministic results or equal, given the probability of being smaller the number of people, baths / day, pipe length. The hierarchy has not changed. ChE obtained zero EEI, having the lowest energy efficiency. Acquisition and maintenance of ChE are cheap, but it operates more cost-effectively through the use of electricity and, for this reason, is more deleterious in the environment. The SAS were more adequate in the Northeast of Brazil, with low auxiliary energy consumption, minimizing upstream CO2 emissions. The ecological and macroeconomic potential of low-cost SAS is unique in every intertropical region. The heat pump is effective and requires scale to be accessible.