1. – O SOL · ... que o Sol é a fonte última da energia solar, ... compreendida entre os 0,38 e...

APOSTILA ENERGIA SOLAR TÉRMICA Curso de engenharia de energia – faen / ufgd

1. – O SOL

O fornecimento contínuo de energia do Sol permite a dinâmica atmosférica e a vida dos seres vivos. Durante muitos milhares de anos, o Sol tem sido observado como um Deus ou ser supremo. Recentemente, o astro-rei nos abre a porta do novo século para converter a radiação solar em uma fonte renovável e alternativa que nos permita continuar progredindo como espécie, de maneira sustentável. Cabe destacar, que o Sol é a fonte última da energia solar, assim como também o é de quase o restante de outras fontes de energias renováveis, e de todos os combustíveis fósseis. 1.1 UMA APROXIMAÇÃO AO SOL O Sol é um astro composto por gases a alta temperatura (plasma), basicamente por hidrogênio e hélio, e com uma massa total de aproximadamente 2,2 x 107 t. (umas 334.000 vezes a massa da Terra). Calcula-se que tem uma antiguidade de uns 4,5 a 5 Bilhões de anos, e que vai continuar proporcionando energia durante 5 a 8 bilhões de anos mais, antes de se converter em um corpo frio. Esta estrela pode ser comparada a um imenso forno nuclear com um diâmetro 110 vezes maior que o da Terra, onde o hidrogênio vai se convertendo em hélio através de processos de fusão nuclear a uma velocidade de 4 milhões de toneladas por segundo. As temperaturas que geram estes processos nucleares provocam temperaturas que no interior do Sol ascendem até os 60 milhões de K. Tal temperatura vai diminuindo à medida que nos aproximamos da superfície solar, estabilizando-se ao redor dos 6.000 K, e aumentando de novo na coroa solar até atingir temperaturas que alcançam os 2 milhões de K. O Sol não é um corpo sólido como os planetas, mas uma enorme bola de gás concentrado, pela grande força de gravidade exercida pelo próprio núcleo. Na superfície solar ocorrem erupções solares equivalentes à explosão de 1000 bombas atômicas, que provocam a expulsão de massa solar para o espaço. Este fenômeno é responsável pelo efeito conhecido como vento solar. O vento solar é formado por partículas eletricamente carregadas, que provocam alterações magnéticas, chegando inclusive a alcançar a atmosfera terrestre, e produzindo fenômenos como os das auroras polares, ou interferências nas ondas de rádio ou de telecomunicações. Assim como os demais corpos celestes, o Sol descreve movimentos de rotação e de translação; a rotação ao redor de seu eixo tem um período de aproximadamente quatro semanas (não é como a de um sólido rígido, cuja


velocidade de rotação vai variando de acordo com a latitude), além disso, realiza um movimento de translação com relação à sua própria galáxia. Tabela 1.1 Dados de relevância a respeito do Sol

Intensidade de emissão superficial absoluta

3,76 ·1014 TW

Diâmetro do Sol 1.392.000 km Massa solar 1,99 ·1030 kg.

Temperatura de equilíbrio na superfície solar

5.776 K

Composição na camada exterior do Sol

75% Hidrogênio 23% Hélio

2% Outros gases Distância Terra-Sol 150.000.000 km

1.2 - RADIAÇÃO E CONSTANTE SOLAR.

Nem toda energia emitida pelo Sol alcança a Terra. Realmente, dos 3,76·1014

TW que o Sol emite, 173.000 TW são interceptados pelo planeta. Apesar de ser uma quantidade muito menor do que a inicialmente disponível, supera amplamente o consumo máximo existente em nível mundial. Entende-se por constante solar a energia de origem solar que alcança por unidade de superfície e tempo uma superfície orientada perpendicularmente para os raios solares e situada na borda exterior da atmosfera terrestre, de maneira que não existisse nenhum tipo de obstáculo entre o Sol e a superfície que provocasse a atenuação dos raios solares. Fala-se de constante solar porque caso se suponha que nosso planeta está situado à distância média do Sol de uns 1.495 x 1011 m, este fato implicaria que subtende um ângulo sólido de 32’, com o qual se poderia afirmar que a intensidade que chega à superfície exterior da atmosfera é praticamente constante. O valor médio admitido da constante solar é de 1, 354 kW/m2, sem dúvida, há que contar com variações estacionais de 3,5% pela distinta posição do Sol com relação ao nosso planeta devido à excentricidade da órbita terrestre, e com diferenças de 1,5% decorrentes das oscilações ou flutuações das manchas solares1.

1Fenômeno cíclico relacionado con a variação da atividade do sol ao longo do tempo. Um dos primeiros a observar este

fenômeno foi Galileu, em 1610. As manchas solares são zonas de menor temperatura, que aparecem sobre a superfície do

sol, aproximadamente uns 2.000 K menos que o resto da superfície. Este processo cíclico de surgimento e desaparecimento

das manchas solares, com base em observações realizadas, estima-se que tem uma duração de cerca de 11 anos, ainda que

sejam possíveis as interferências por ciclos de maior ou menor duração. O desaparecimento quase total das manchas solares

indica um período de diminuição da atividade solar, que provoca quedas da temperatura média da Terra de até 2,5 ºC.


Figura 1.1 - Variação da constante solar.

A radiação solar que a Terra recebe do Sol varia em parte pelos movimentos que o planeta realiza. Neste sentido, dever-se-á levar em conta os movimentos de rotação e translação que este realiza: o primeiro, ao redor de seu eixo N-S, com um período de 24 horas e, o segundo, ao redor do Sol, com um período de 365 dias e 6 horas, em uma órbita elíptica com uma excentricidade de 3%, denominada eclíptica. O eixo polar da Terra mantém durante a translação uma direção aproximadamente constante, e forma um ângulo de 23,45º com o eixo da eclíptica; esta inclinação do eixo de rotação é responsável pelas estações do ano, ou seja, pelo distinto aquecimento dos hemisférios. 1.3. A ENERGIA RADIANTE, OS FÓTONS E O CORPO NEGRO De toda a lista de formas convencionais de energia (mecânica, térmica, elétrica, etc.), a radiante desempenha um papel importantíssimo na transmissão energética dentro do contexto da energia solar. É uma experiência amplamente conhecida que, se submetermos um corpo aos efeitos da radiação solar, este sofre um aquecimento ao aumentar sua temperatura. Do mesmo modo, também podemos perceber o aumento de temperatura em um termômetro, se o aproximarmos de uma lâmpada de incandescência. Caso prossigamos com a experimentação, poderemos comprovar que o calor radiante se refrata, se difrata. Isto é, comporta-se de acordo com as leis do movimento ondulatório: por isso, admite-se que a energia calorífica transmitida por radiação é transportada por ondas. Apesar da cotidiana e familiaridade da energia radiante, a franja correspondente ao espectro visível representa apenas uma pequena fração do


amplo espectro de energia radiante. Seu estudo, conhecimento e aplicações tecnológicas, foram desenvolvidos em finais do século XIX. A transferência de calor por radiação é a única que não requer um meio para sua propagação, transmitindo-se no vácuo. A matéria sob temperatura distinta do zero absoluto emite e absorve energia radiante, abrangendo um amplo intervalo que se estende para ambos os lados da estreita franja de radiação visível - compreendida entre os 0,38 e os 0,78 m2, cuja potência e distribuição de freqüências variam com a temperatura da matéria.

Figura 1.2 Espectro de radiação O espectro de radiação eletromagnética, representado na figura 1.2, se estende das ondas longas de rádio de 104 m, até as radiações energéticas ionizantes de 10-14 m, que contêm energias de várias centenas de milhões de elétron-Volts (eV). Cabe destacar que a sensibilidade do olho humano somente está adaptada para captar a franja de radiação solar visível, compreendida entre os 4500 e os 6500 Amstrong3. Seu conhecimento científico provocou uma das primeiras crises do antigo paradigma Newtoniano, ao ser desenvolvida, na metade do século XIX, a Teoria Eletromagnética de J.C. Maxwell, que abarcava não somente o comportamento clássico dos campos elétricos e magnéticos, mas que também incorporava as manifestações luminosas.

2O mesmo, entre 380 nm e 780 nm (1nm=1·10-9 m).

31 Amstrong=1·10-10m.


Sem embargo, é a partir do desenvolvimento de alguns conceitos gerais da termodinâmica estabelecidos por Kirchoff, que se determina que a transmissão de calor por radiação dependa exclusivamente da temperatura absoluta T(K) do corpo. Por outra parte, os cientistas Stefan e Boltzmann estabeleceram que a quantidade de energia contida em uma unidade de volume (fluxo de potência radiante Q) cresce muito rapidamente com a temperatura, adotando um valor equivalente à quarta potência daquela, em que:

Q = .T4

Q = fluxo de potência radiante, W/m2. = constante de Stefan-Boltzmann (5,67 10–8 W/m2 K4). A = área da superfície de emissão, m2. T = temperatura absoluta da superfície, K. Outra importante contribuição foi a realizada pelo físico M. Planck que, ao estudar as interações entre a matéria e a radiação, descobriu a famosa "Teoria dos Quanta”. Atualmente, tal forma de energia pode ser interpretada como uma prolongação dos conceitos clássicos da energia cinética e potencial, isto é, como uma extensão dos campos elétrico e magnético provocados pelas ondas. Uma manifestação de grande importância associada à energia radiante é percebida nos resultados da fotossíntese, fenômeno que ao possibilitar a conjunção da energia solar com a função clorofílica das plantas verdes, permite sintetizar de forma natural um grande grupo de compostos orgânicos complexos que armazenam uma grande quantidade de energia em forma de estruturas químicas (produção primária), e que são definitivamente as sustentadoras da vida em nosso planeta. A determinação de uma lei que expressasse a distribuição espectral da energia emitida por um corpo negro ideal4 se apresentava como problemática, e embora se pudesse obter uma fórmula de sua distribuição (Wien), subsistia uma função arbitrária que fazia intervir intercâmbios de energia entre matéria e radiação. Neste campo, foi decisiva a contribuição de M. Planck, o qual inicialmente adotava uma concepção contínua da absorção e da emissão, habitual na época; sem dúvida, ao perceber que tal hipótese não conduzia a alguns resultados aceitáveis, adotou uma posição beligerante para com as teorias ondulatórias da luz de Fresnel e Maxwell: a energia radiante não é emitida ou absorvida de forma contínua, mas em quantidades discretas. A equação que Planck estabeleceu, correlaciona as transferências energéticas da radiação com sua freqüência, em que:

E = h. h = constante de Planck (6,62 10-34 J·s). =freqüência, Hz. 4 Um corpo ideal que pudesse absorver todas as radiações que lhe chegassem, independentemente de seus comprimentos de

ondas, se comportaria como um “corpo negro”, dispondo de um número infinito de níveis de energia permitidos. Todos os corpos a uma temperatura superior a 0 K emitem energia em forma de radiação, a umas freqüências e comprimentos de onda determinadas, existindo um número infinito de radiações simples que podemos ordenar em função do comprimento de onda, e que em seu conjunto denominamos espectro eletromagnético.


A equação constitui uma das leis fundamentais da teoria quântica, e nos mostra como a radiação apenas pode ceder energia à matéria de uma maneira descontínua, em forma de pacotes discretos, múltiplos de uma quantidade definida, os famosos "quanta". A suposição de que a radiação existe em forma de partículas discretas, denominadas "fótons", cada um dos quais transporta uma quantidade fixa de energia, "os quanta", nos permite estabelecer uma correta interpretação das interações entre radiação e matéria. O calor, a luz, os raios X, as radiações gama, etc., são diferentes manifestações da energia radiante, e que podem ser expressas através de alguns parâmetros característicos:

I) A freqüência , definida como o número de ciclos por segundo, representando uma função do tempo.

II) O período T, que representa a duração de cada ciclo em segundos. Logicamente seu valor será o inverso da freqüência.

III) O comprimento de onda , que se expressa como a distância em metros que a onda percorrerá durante um período da radiação.

A radiação solar recebida pela Terra em forma de constante solar, isto é, nas imediações da atmosfera terrestre, é de tipo eletromagnético e se propaga a 300.000 km/s, abrangendo um conjunto de comprimentos de onda, que vão desde a radiação de onda longa da zona dos raios infravermelhos (IR) (>0,75 m), à radiação de onda curta da zona dos raios ultravioletas (UV) (<0,35 m), passando pela zona da radiação visível (0,35m< <0,75 m). O padrão exato da distribuição por comprimentos de onda é chamado de espectro solar, sendo determinado de uma maneira crítica pela temperatura solar. Em conjunto, a radiação visível transporta 47% da energia solar, a radiação infravermelha 46%, e a radiação UV, os 7% restantes. Na figura 1.3 pode-se observar a distribuição espectral da energia solar na parte exterior da atmosfera e sua comparação com a de um corpo negro a 6000 K, apreciando-se a grande aproximação existente entre ambas. Desta forma, pode-se considerar válida tal aproximação e afirmar que a distribuição espectral da radiação solar extraterrestre segue a distribuição de Planck de um corpo negro a 6000 K.


Figura 1.3 - Distribuição espectral da radiação solar estratosférica.

Também é muito importante destacar que, ainda que o pico de maior intensidade de radiação corresponda à zona visível (0,4 m.), quase a metade da energia solar emitida é radiação de tipo infravermelha. A velocidade de propagação varia em função dos materiais que devam ser atravessados pelas radiações (água, ar, vidro), dado que a freqüência se mantém, a velocidade será equivalente a ‘nc’, sendo ‘n’ o índice de refração do meio considerado. Os fótons são, pois, os elementos constitutivos de qualquer tipo de radiação eletromagnética, ainda que possam se diferenciar por sua energia e origem. Todos os fótons se deslocam à velocidade da luz, embora sua energia seja função das respectivas freqüências. Assim, pois, toda radiação eletromagnética apresenta algumas características similares, diferenciando-se seu conteúdo energético pelo comprimento de onda, associando-se a cada um valor concreto e característico, que diminui com o aumento de comprimento.

= c.T = c

Esta energia corresponde a alguns valores modestos, de forma que somente no caso de freqüências muito altas, a energia quântica alcançará valores o suficientemente elevados para que sejam apreciáveis. No caso da luz, os quanta têm um valor aproximado de 3·10-19 J, com o que as variações energéticas de tais ordens apenas aparecem como importantes em escala atômica. 1.4. O ESPECTRO SOLAR DE EMISSÃO Tal e como mencionamos anteriormente, o Sol pode ser considerado como um imenso reator termonuclear de fusão em contínuo funcionamento. Trata-se de uma esfera gasosa de hidrogênio e hélio de 1,39 milhões de km de diâmetro,


de uma densidade média 100 vezes à da água, e que chega a temperaturas em seu interior de entre 8 e 40 millhões de graus centígrados. A densidade de potência radiada em sua superfície é de cerca de 92.000 CV/m2. Com relação à Terra, pode-se dizer que o Sol é o foco de uma elipse (eclíptica), existindo entre os dois astros uma separação máxima a 4 de julho (afélio) e uma distância mínima a 31 de dezembro (periélio), enquanto que a distância média é de 149.600.000 km. O ângulo que o equador forma com a eclíptica é de 23º27’ (na época atual), ou seja, o eixo da Terra não é perpendicular à sua órbita, aparecendo em conseqüência as estações (figura 1.4). Ademais, para avaliar a radiação que chega ao nosso planeta, há que considerar todos os fenômenos relacionados com a dupla Terra-Sol, noite e dia, evaporação da água, crescimento de vegetais. Mais sutis são os efeitos produzidos pela variação na intensidade da radiação emitida pelo solo, as quais não têm conseqüências importantes para a vida em nosso planeta.

Figura 1.4 Órbita planetária.

Nos cálculos da energia solar se considera o Sol como um corpo negro. Um corpo negro absorve toda a radiação que lhe chega, sendo nulas as frações de energia refletida e transmitida através do mesmo. Supondo o corpo em um equilíbrio térmico, impõe-se que toda a energia radiante absorvida pelo corpo acaba sendo emitida em forma de radiação térmica. Nestas condições, o espectro solar ideal de corpo negro fica perfeitamente determinado a partir da distribuição dada pela Lei de Planck em função da temperatura.

em que:


U() = potência emissiva espectral, W/m2. = freqüência, Hz. c = velocidade da luz no vácuo (3·108 m/s). K= constante de Stefan-Boltzmann (5,67·10-8 W/m2 K4). h=constante de Planck (6,62·10-34 J·s). T=temperatura absoluta, K. Através da lei de Wien, deduz-se que este espectro se desloca para comprimentos de onda inferiores, e, portanto mais energéticas, à medida que aumenta a temperatura do corpo:

max*T = 2897,8 m K

Figura 1.5. Deslocamento do espectro de radiação com a temperatura, segundo a lei de Wien.

Em realidade, os corpos não são negros, ou seja, não emitem em forma de calor toda a radiação que recebem, emitindo apenas uma parte. Nos corpos reais, esta fração de energia reemitida depende do comprimento de onda "e()", de maneira que podem apresentar um espectro bastante diferente do de um corpo negro à mesma temperatura. Em uma situação intermediária, faz-se a aproximação a um corpo cinza, no qual toma-se um valor de e() médio para todas os comprimentos de onda, com a condição de obter a mesma potência térmica total emitida que no caso real. Ao fazer a aproximação do corpo negro, há que supor uma temperatura efetiva do Sol de 5762 K, um pouco inferior à que existe realmente em sua superfície.


1.5. INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR COM A ATMOSFERA Em sua passagem pela atmosfera, a radiação solar sofre diversos processos de atenuação e de espargimento, como resultado de sua interação com os distintos componentes atmosféricos: aerossóis, nuvens e moléculas de ozônio, dióxido de carbono, oxigênio, água, etc. Os efeitos mais importantes de tal interação são:

a) A diminuição da energia radiante total disponível ao nível do solo, em relação à disponível no limite superior da atmosfera.

b) A modificação das características espectrais e distribuição espacial da radiação.

A absorção de radiação solar na atmosfera é ocasionada essencialmente pelo ozônio (O3) e pelo vapor de água (H2O). No primeiro caso, a banda de absorção mais importante está localizada no ultravioleta: praticamente, toda a radiação solar de comprimento de onda inferior a 0,29 m é absorvida pelo ozônio localizado nas altas camadas da atmosfera; a partir de 0,35 m, desaparece a absorção de radiação por tal gás, voltando a aumentar nas proximidades de 0,6 m. O vapor de água absorve, fundamentalmente, na zona infravermelha, tendo suas bandas de absorção mais importantes em 1,0; 1,4 e 1,8 m. A partir de comprimentos de onda de 2,3 m, a transmissão da radiação solar na atmosfera se torna praticamente nula, devido à absorção por parte da água e dióxido de carbono. O scattering, também denominado espargimento, é outro dos efeitos anteriormente mencionados, e que se traduz em uma atenuação da radiação solar extraterrestre e sua redistribuição em todas as direções do espaço sem mudanças significativas no comprimento de onda. Em ordem de importância, os constituintes atmosféricos responsáveis pelo fenômeno de espargimento são: o vapor de água, os aerossóis, e os componentes moleculares. A contribuição ao fenômeno do scattering está em relação direta ao tamanho do constituinte e de sua densidade atmosférica. Caso se leve em conta os fenômenos de reflexão e absorção que ocorrem com a radiação solar incidente sobre a atmosfera terrestre, é obvio que somente uma parte da energia pode ser aproveitada em nível de terra. Em geral, o espectro solar, ao atravessar a atmosfera, se desloca para energias mais baixas. Por exemplo, dentro do espectro visível toma mais importância a franja dos infravermelhos e se atenua a zona dos ultravioletas. Este efeito torna-se mais evidente nas primeiras horas da manhã e nas últimas da tarde, quando se pode observar uma cor mais avermelhada do Sol, já que são os momentos do dia em que a radiação solar tem que atravessar uma maior espessura de ar. Em contrapartida, em um meio-dia sem nuvens, a cor branca do Sol corresponde ao espectro de radiação calorífica a altas temperaturas, similar ao


que chega às camadas altas da atmosfera, o qual apresenta seu máximo centrado na zona visível (por isso se obtém a cor branca). Da radiação total incidente sobre a superfície da Terra (Qt), se tem que uma parte da radiação chega de forma direta (Qd) e outra de forma difusa (Qs). A radiação direta é a recebida em nível de terra sem que os raios do sol tenham variado de direção. A radiação difusa é aquela que tem sofrido processos de refração, reflexão e absorção na atmosfera e, em especial, nas acumulações de vapor de água (nuvens, neblina, etc.). Uma parte da radiação que chega à superfície da terra é refletida, sendo esta fração conhecida como refletividade ou albedo (r). Portanto, da radiação solar que chega à terra, os captadores podem empregar três componentes: a direta, a difusa e a refletida. A parte restante da radiação solar que incide sobre a atmosfera é refletida de novo para o espaço (Qr) ou absorvida pelas massas de nuvens (Qa). Há que dizer que a fração absorvida Qa pode chegar à superfície da terra de forma indireta (chuvas, radiação calorífica das nuvens), mas em um nível de degradação energético não apto para seu aproveitamento.

Qr = (Qd + Qs) * (1 - r) + (Qd + Qs) * r + ( Qr + Qa) Finalmente, cabe mencionar que a energia solar total incidente em um dia completo pode superar os 8 kWh/m2 em uma localidade situada a cerca de 40º de latitude, com uma média anual sobre uma superfície horizontal de cerca de 4,5 kWh/m2. 1.6. IRRADIAÇÃO SOBRE UMA SUPERFÍCIE: ABSORÇÃO, REFLEXÃO E

TRANSMISSÃO A radiação solar, ao incidir primeiro sobre a atmosfera da Terra e, posteriormente, sobre sua superfície, experimenta um conjunto de processos próprios da interação da radiação com a matéria. Toda energia radiante que interage com um corpo, deve, obrigatoriamente, provocar os seguintes fenômenos:

a. Uma fração da energia recebida (Ei) é refletida (Er). Neste caso, o coeficiente de reflexão do material será dado pela expressão:

r = Er / Ei

b. Outra fração da energia (Et) pode atravessar o material, motivo pelo qual o coeficiente de transmissão do material será equivalente a:

t = Et / Ei


c. E, finalmente, uma determinada fração (Ea) será absorvida por ele mesmo. O coeficiente de absorção toma o valor:

b = Ea / Ei

Logicamente, a soma dos três coeficientes deve ser igual à unidade:

r + t + b = 1


2. – ConCeitos eLeMentARes De ASTRONOMIA E POSIÇÃO SOLAR

2.1. PRINCIPAIS PARÂMETROS DA POSIÇÃO SOL - TERRA Até agora se tem visto o processo de atenuação do espectro solar desde sua origem até a chegada à Terra, devido à natureza emissiva do Sol, à dispersão geométrica das ondas radiantes para chegar até o planeta e à sua interação física com a atmosfera. Além destes efeitos, sujeitos à climatologia de cada região e à estação do ano, a quantidade de energia solar que se pode captar em um determinado momento da superfície da terra depende de outros parâmetros astronômicos e da própria orientação do captador (coletor). As relações geométricas entre um plano de qualquer orientação particular relativa à Terra em qualquer momento, e a posição relativa do Sol com respeito a este plano, são descritos mediante a combinação dos ângulos que são definidos nos tópicos seguintes. 2.1.1. LATITUDE (Φ) A latitude é o ângulo formado pela vertical do ponto geográfico considerado da superfície terrestre e pelo plano do equador. Sua variabilidade é de - 90º (latitude sul) até 90º (latitude norte).

Figura 2.1 Latitude.

2.1.2. DECLINAÇÃO SOLAR () A declinação solar é o ângulo formado pela linha Terra-Sol, ao meio-dia, e pelo plano do equador. Sua variabilidade é de -23,45º a 23,45º. A declinação tem uma dependência com o dia Juliano5 no qual é realizado o cálculo, desta forma

5

Ao primeiro dia de janeiro corresponde um dia Juliano de valor D = 1, enquanto que para o dia 31 de dezembro, o dia Juliano é

D=365.


e ainda que possa ser obtida a partir de tabelas astronômicas, é muito mais prático para os cálculos avaliá-la a partir da expressão:

365

284360sin45,23 D

em que: D= dia Juliano.

Ainda que para efeitos práticos seja invariável, não se deve esquecer que a declinação sofre variações cíclicas de períodos compreendidos entre 40.000 e 100.000 anos, que a fazem oscilar entre os 22º e 24º, e que se crê seguramente que são as causadoras das mudanças climáticas que vêm se sucedendo ao longo da história de nosso planeta.

Figura 2.2. Declinação solar.

Exemplo 1: Avaliar a declinação solar no dia 15 de agosto de 1985 (D=227 dias). Solução:

osen 78,1314445,23))227284(365360sin(45,23

2.1.3. ALTURA (H) A altura é o ângulo formado pela radiação solar direta com o eixo sul do plano tangente à Terra no ponto do observador.

2.1.4. AZIMUTE () É o ângulo formado pela projeção dos raios solares sobre o plano tangente à superfície terrestre e pelo sul geográfico, denominado meridiano do lugar. Portanto, o ângulo azimutal tem valor igual a zero para uma superfície


orientada perfeitamente ao sul, 90º para o leste e - 90º para o oeste, sendo sua variabilidade, de -180º a +180º. A altura e o azimute constituem as coordenadas solares planas e permitem de forma simples situar o Sol e descrever seu movimento ao longo do ano, tomando como referência o ponto de observação da terra.

Figura 2.3. Coordenadas solares planas: altura e azimute.

Quando se fala de captadores (coletores), o azimute é tomado como o ângulo formado pela projeção horizontal da linha perpendicular à superfície captadora e pela linha que passa pelo captador e pelo sul geográfico.

Figura 2.4. Azimute em captadores.


2.1.5. INCLINAÇÃO (S) A inclinação é o ângulo formado pelo plano da superfície captadora e pela horizontal do ponto considerado.

Figura 2.5. Inclinação.

2.2. TEMPO SOLAR E ÂNGULO HORÁRIO Outro efeito a levar em conta é a rotação da terra, a qual é expressa através do ângulo horário. O ângulo horário é o resultado da divisão do tempo solar verdadeiro (T.S.V.) em horas por 360º; desta forma, cada hora equivale a 15º. Toma-se por convenção de 0º o meio-dia solar, ângulos das horas da manhã positivos e ângulos das horas da tarde negativos. O tempo solar verdadeiro (T.S.V) é obtido a partir da seguinte equação:

T.S.V. = Hora oficial local - avanço com relação à hora solar +/- longitude do lugar +/- Equação do tempo.

A equação do tempo é o fator que corrige a hora solar devido às perturbações da órbita terrestre e da velocidade de giro. Ao orbitar a terra ao redor do sol, sua velocidade muda de acordo com a distância em relação a este.

Figura 2.6. Gráfico da equação do tempo


Quando se aproxima do Sol, move-se mais lentamente e quando se afasta, o faz mais rapidamente. Esta diferença na velocidade da terra é a causadora da divergência entre a hora solar real e a hora solar média, já que um relógio normal mede o tempo uniformemente e não leva em conta esta variação na velocidade da terra.

Exemplo 2: Avaliar o tempo solar verdadeiro (T.S.V.) em Barcelona (longitude 2º leste) no dia 15 de agosto de 1985, às 11 horas. Encontrar o ângulo horário. Solução: CONCEITO TEMPO Hora official 11h 0 min 0 seg - avanço com relação à hora solar -2h 0 min 0 seg +/- longitude 2º leste (4 min/grau) -0 h 8 min 0 seg +/- equação do tempo (figura 2.6) -0h 5 min 0 seg T.S.V. 8h 47 min 0 seg

A diferença horária entre o meio-dia e às 8h 47 min é de 3h 13 min, portanto, o ângulo horário será: w=(3h·15º/h)+13 min/(60 min/h)·15º/h=49,25º 2.3. GRÁFICOS SOLARES Os gráficos solares permitem representar a posição do Sol no arco celeste em qualquer instante do ano para uma latitude determinada. O arco celeste é o hemisfério visível do céu em todas as direções acima do horizonte. O quadriculado do gráfico solar representa os ângulos verticais e horizontais dos pontos do arco celeste. Tudo acontece como se o observador localizasse a altura e o azimute do Sol sobre um hemisfério transparente colocado acima de si, e como se depois representasse esta visão acima de um cilindro vertical (ainda que geometricamente isto não seja de todo possível).

Figura 2.7. Arco celeste e representação da posição do Sol.


Acima do quadriculado gráfico podem ser representadas as trajetórias solares para as diferentes épocas do ano, e ao unir estas com as linhas das horas do dia, se obtém o gráfico solar completo. As horas dos gráficos solares sempre correspondem ao tempo solar verdadeiro (T.S.V.).

Figura 2.8. Gráfico solar (a 40º de latitude).

Como a trajetória aparente do Sol muda de acordo com a localização sobre a terra, se requer um gráfico solar diferente segundo a latitude. Uma variante do gráfico solar é o gráfico solar polar, que incorpora como nova variável a declinação. Este tipo de representação permite mudar de forma imediata de coordenadas de posicionamento solar, por uma parte a altura e o azimute, e por outra, a declinação e o ângulo horário.

Figura 2.9. Diagrama solar polar.


Por outro lado, devido ao campo magnético do planeta, é necessário corrigir as variações magnéticas da bússola (declinação magnética) para cada lugar, uns poucos graus para o leste e para o oeste para obter o norte geográfico (diferente do norte magnético). 2.4. CÁLCULO DO ÂNGULO DE INCIDÊNCIA DA RADIAÇÃO DIRETA E DA

INCLINAÇÃO DO CAPTADOR O primeiro parâmetro a determinar em um captador (coletor) solar é a inclinação requerida para obter a captação de um máximo de radiação solar direta. O ângulo de incidência () é o formado pela radiação direta sobre a superfície captadora, ou seja, a linha sol-captador e pela perpendicular ao captador.

Figura 2.10. ângulo de incidência.

Por trigonometria, se obtém que o ângulo de incidência é calculado segundo a seguinte fórmula:

cos = sen.senΦ.cosS - sen.cosΦ.senS.cos + cos.cosΦ.cosS.cos+

cos.senΦ.senS.cos.cos+cos.senS.sen.sen

Exemplo 3:

Calcular a radiação solar direta e difusa incidente em um captador plano situado em Barcelona, que tem uma orientação Azimute de 10º para o sudeste, uma inclinação de 30º e a radiação recebida é de 715 W/m2, no dia 15 de agosto de 1985 às 11 horas. Solução: A declinação solar () no 15 de agosto de 1985 foi calculada no exemplo de cálculo 1 em 13,78º.


O ângulo horário () que corresponde às 11 horas do dia 15 de agosto de 1985, em Barcelona, foi calculado no exemplo de cálculo 2 em 49,25º. Barcelona está situada a uma latitude (Φ) de 41º. Assim, os ângulos para o desenvolvimento deste exemplo são: DECLINAÇÃO, =13,78º ÂNGULO HORÁRIO, = 49,25º LATITUDE, Φ =41º INCLINAÇÃO, S = 30º AZIMUTE, =10º cos = sen13,78 sen41 cos 30 - sen 13,78 cos 41 sen 30 cos 10 + cos 13,78 cos 41 cos 30 cos 49,25 + cos 13,78 sen 41 sen 30 ·cos 10 ·cos 49,25+cos 13,78·sen 30·sen 10 sen 49,25 = 0,77; correspondente a um ângulo = 39º. A radiação direta recebida será de: 715 W/m2 . 0,77 = 547,9 W/m2 A radiação difusa recebida será de: 715 - 547,9 = 167,1 W/m2 Normalmente, os captadores são instalados fixos e orientados para o sul. Nestes casos, o azimute do captador é zero. O ângulo horário não é levado em consideração, já que a superfície coletora capta todas as horas solares (o valor médio deste ângulo é nulo). Portanto, a fórmula do ângulo de incidência é simplificada até a expressão:

Φ – S - em que: = ângulo de incidência. Φ =ângulo de latitude. S=ângulo de inclinação do captador. =ângulo de declinação solar. A máxima radiação para um captador, fixado no ângulo horário e no azimute, é obtida quando o ângulo de incidência é nulo. Neste caso deve-se efetuar a seguinte expressão:

S = Φ –- Portanto, haverá que ir modificando a inclinação da superfície captadora, segundo a variação da altura solar ao meio-dia, ao longo do ano. No caso da instalação solar somente ser utilizada alguns meses ao ano, pode-se colher a declinação média neste período de tempo com o fim de fixar a inclinação.


Figura 2.11. Inclinação ideal dos coletores em função da época do ano e da

latitude. 2.5. DISTÂNCIA MÍNIMA ENTRE PAINÉIS E CÁLCULO DE SOMBRAS A separação mínima entre as linhas de captadores é estabelecida de forma que, ao meio-dia solar do dia mais desfavorável (altura solar mínima "Hmin") do período de utilização, a sombra da aresta superior de uma fila deve ser projetada, como máximo, sobre a aresta superior da fila seguinte. Em equipamentos de utilização em todo o ano ou no inverno, o dia mais desfavorável corresponde a 21 de dezembro. Neste dia, a altura solar mínima ao meio-dia solar possui um valor de:

Hmin = (90º - latitude lugar) - 23º

Para equipamentos de utilização no verão, os dias mais desfavoráveis podem ser 21 de março ou de setembro. Nestes dias, a altura solar mínima ao meio-dia solar será:

Hmin = (90º - latitude lugar)

Pode-se demonstrar que a distância mínima entre captadores resulta ser:

Distância mínima = B·cosS+B·(sinS)/ tg min em que S é a inclinação do captador e B seu comprimento.

Exemplo 4: Calcular a distância mínima entre captadores de dois metros de comprimento, inclinados 40º, situados em uma zona de 40º de latitude norte, e de utilização no inverno.


Solução: Hmin = 90º - 40º - 23º = 27º Distância mínima = 2·cos 40º + 2·sen40º/tg 27º = 4,06 m

Normalmente, no dia mais desfavorável do período de utilização, o equipamento não deve ter mais de 5% da superficie útil de captadores coberta por sombras. Um equipamento será inoperante quando 20% de sua superfície de captação estiver na sombra. A determinação das sombras projetadas sobre os captadores por parte de obstáculos próximos é concretizada na prática observando-se o entorno a partir do ponto médio da aresta inferior do captador, tomando como referência a linha norte-sul. Um sistema mais preciso para avaliar as sombras produzidas ao longo do ano por barreiras permanentes consiste na utilização de diagramas solares. A partir da projeção dos contornos dos obstáculos afastados sobre o ponto de localização das placas, são obtidos pares de ângulos que identificam as posições do Sol (em coordenadas planas), nas quais este começaria a ser visto coberto. Representando estes pontos no diagrama solar, são obtidas algumas regiões que representam as épocas do ano em que a zona de estudo receberá sombra (figura 2.12).

Figura 2.12. Determinação de sombras.


2.6. A MEDIDA DA RADIAÇÃO E DOS PARÂMETROS CLIMÁTICOS. QUANTIFICAÇÃO, TABELAS E MAPAS DE INSOLAÇÃO

Aos parâmetros astronômicos definidos, há que acrescentar os fatores climáticos locais, com o fim de poder estabelecer o potencial solar de uma zona. Este dado somente pode ser conhecido através da experimentação e da medição direta. Basicamente, há dois tipos de instrumentos para medir a radiação solar. Em primeiro lugar, o pireliômetro é destinado à medição da radiação solar direta. Este aparelho, devido ao movimento da terra com relação ao sol, deve seguir constantemente o astro-rei. É destinado geralmente para estudos e investigações. Por outro lado, o piranômetro ou actinômetro permite medir em um determinado plano a radiação global recebida em um período de tempo (hora a hora, dia a dia, etc.).

Foto - Estação de Florianópolis: Rastreador solar com sensor de radiação

difusa (piranômetro) a esquerda e sensor de radiação direta (pireliômetro) ao centro.

Costuma-se conectar estes aparelhos a um registro que nos mostra a distribuição da radiação solar ao longo dos intervalos de tempo desejados, e são conectados a um integrador que nos proporciona a energia total captada.


Figura 2.13. Potencial solar no Brasil.

Há outros instrumentos de medição que aconselha-se empregar com o fim de obter a máxima informação meteorológica da zona onde se quer fazer a instalação solar: termômetros para as temperaturas máximas e mínimas, anemômetro e cata-ventos para a velocidade e direção do vento, respectivamente, e um higrômetro para a umidade relativa. A maneira mais confiável para conhecer a energia que chega a uma instalação solar, e a forma como chega e sua distribuição no tempo, consiste em consultar a radiação dada diretamente pelos piranômetros, a qual é elaborada ao longo de um período de tempo significativo por organismos competentes em forma de tabelas de insolação. O problema está no fato de haver relativamente poucas estações meteorológicas suficientemente equipadas para saber exatamente as condições de radiação de todo um território. Da mesma forma, há que ter em conta os microclimas próprios de cada zona, que podem apresentar condições muito diferentes das zonas próximas. Para estes casos, podem ser empregados alguns dos métodos teórico-empíricos que foram desenvolvidos, ainda que sejam resultados que devem ser tomados com certas reservas. A seguir explica-se um dos métodos mais empregados para estimar a radiação total sobre uma superfície inclinada.


A média mensal (Ii) de radiação diária incidente sobre uma superfície inclinada é:

Ii = R·Ih

em que:

Ih = média mensal de radiação diária sobre uma superfície horizontal

R = relação entre a média mensal de radiação diária sobre uma superfície inclinada com relação a uma horizontal, por cada mês. Este valor pode ser estimado considerando por separado as componentes direta, difusa e refletida da radiação.

Supondo que a componente difusa se distribui uniformemente na atmosfera, se tem que:

2cos1

2cos1 SS

IIR

IIIR

h

db

h

d

em que:

Id = média mensal de radiação difusa diária. Rb = relação entre a média mensal da radiação direta sobre uma

superfície inclinada e sobre uma horizontal, respectivamente, para cada mês.

S = inclinação da superfície com relação à horizontal. = refletância do solo. Entre 0,2 e 0,7 para uma camada de neve.

Na equação, o primeiro termo corresponde à componente direta da radiação, o segundo à difusa e, o terceiro, à refletida pelo solo no lugar do captador.

Não costuma-se dispor da média mensal de radiação difusa diária Id. Não obstante, a fração difusa com relação à radiação total Id/Ih é uma função da relação entre a radiação diária real e a diária extraterrestre (Kt)

Id/Ih = 1,39 – 4,03.Kt + 5,53.Kt2 – 3,11 Kt

3 Para superfícies orientadas a partir do sul, o parâmetro Rb possui o valor

sinsin)180

(sincoscos

sin)sin()180

(sincos)cos(

ss

is

is

b

SSR

em que:

s = ângulo horário do pôr do sol em uma superfície horizontal: s = arc cos(-tgΦtg)


is = ângulo horário do pôr do sol em uma superfície inclinada: is =MIN [s, arc cos(-tg(Φ-S).tg)]


3. – PROCESSOS TÉRMICOS DIRETOS

Uma primeira classificação que pode ser feita na hora de estudar o aproveitamento da energia térmica solar, é dividir esta em energia solar ativa ou passiva, em função da presença ou não de elementos mecânicos no processo.

3.1. ENERGIA SOLAR PASSIVA A energia solar passiva é uma forma de aproveitamento que capta a energia solar, a armazena e a distribui de forma natural, sem mediação de elementos mecânicos, utilizando igualmente procedimentos de ventilação natural. Estes sistemas buscam algumas condições de conforto através da ideal disposição de uma série de elementos arquitetônicos, aproveitando ao máximo a energia solar recebida e as possibilidades de ventilação natural. Os elementos empregados não se diferem muito dos da arquitetura tradicional, os quais em muitas ocasiões constituem um excelente exemplo de arquitetura solar passiva. Seus princípios estão baseados nas características e disposição dos materiais empregados na construção, formando parte inseparável da estrutura do edifício. Não obstante, podem ser adaptados a um grande número de casas já existentes, ainda que com certas limitações. Uma das grandes vantagens dos sistemas passivos, frente aos ativos, é sua grande durabilidade, já que sua vida é análoga à de um edifício. Os elementos básicos empregados pela arquitetura solar passiva são: Vidros: Captam a energia solar, retendo o calor por efeito estufa. Massas térmicas: Têm como função o armazenamento de energia, e geralmente são elementos estruturais ou volumes destinados a esta finalidade. Elementos de proteção: Entre eles são citados isolamentos, persianas, etc. Refletores: Produzem aumentos de radiação no inverno e podem atuar como elementos de proteção no verão. A meio caminho entre o aproveitamento passivo e o aproveitamento ativo encontra-se o que se poderia mencionar como sendo o acondicionamento de um local por meio da produção de ar quente ou frio por energia solar. Na figura 3.1 ilustra-se o esquema de funcionamento em um edificio bem orientado. Sua fachada sul é pintada com uma pintura o mais absorvente possível (escura) e recoberta por uma cobertura transparente (vidro) situada a uma distância entre 10 e 15 cm. Em outras palavras, constrói-se um captador plano integrado ao edifício. Caso sejam feitas aberturas nas partes superior e inferior do mesmo, a radiação solar aquecerá o ar que, por termocirculação e sem nenhuma ajuda energética


de outro tipo (ventilador), irá aquecendo o local (circuito de inverno). Evidentemente, nos períodos nos quais não há radiação solar não se produz calor: por isso, constrói-se uma parede grossa de concreto ou muro trombe6 que faz a função de acumulador devido à sua inércia térmica, com o qual continua-se tendo calor até as primeiras horas da manhã (tempo de retardo).

Figura 3.1. Sistema solar de calefação e ventilação por termoconvecção.

Durante o verão, abre-se as comportas de entrada do ar norte, que sempre é mais frio, e fecha-se a comporta de entrada do ar quente para o interior do edifício no inverno, abrindo a parte superior do captador, com o qual o ar quente sai por esta abertura, aspirando ar fresco do norte, com o qual se refresca a moradia (circuito de verão). No debate da eficiência energética, e tentando construir de maneira ambientalmente sadia e sustentável, vemos claramente a necessidade de isolar sem perder a permeabilidade (característica que a argila nos permite facilmente, procurando não utilizar materiais que formam barreira de vapor), e por sua vez, a necessidade de renovar o ar interior de uma forma constante e contínua. 3.1.1 SISTEMAS DE UTILIZAÇÃO Como combinação dos elementos básicos utilizados pela arquitetura solar passiva, se obtém os diversos sistemas de utilização, dentre os quais cabe citar: os sistemas de ganho direto, de ganho indireto, misto e, finalmente, os de ganho isolados. 6

O muro trombe consiste em uma parede de uma habitação, constituída por um muro de espessura importante (40 cm), de cor

escura, diante do qual é instalada uma vidraça, e que serve para captar a energia solar. Esta é transferida para o interior da

edificação por convecção natural, através de orifícios previstos nas partes baixa e alta do muro. A parede irradia seu calor

durante a noite para o interior da habitação.


3.1.2. SISTEMAS DE GANHO DIRETO Estes sistemas, convenientemente orientados, permitem que a radiação solar penetre diretamente no espaço a aquecer. O sistema consiste em um orifício com vidro e deve ir acompanhado no interior com materiais capazes de armazenar energia. Estes geralmente são de argamassa (tijolo, concreto...) ou água e podem estar situados no solo, nas paredes ou no teto

Os sistemas de ganho direto são de grande simplicidade e de baixo custo, mas difíceis de controlar em seu funcionamento.

Figura 3.2. Moradias bioclimáticas. Janelas de vidros situadas para a

orientação sul.

3.1.3. SISTEMAS DE GANHO INDIRETO São constituídos pelos muros (figura 3.3) e por tetos de armazenamento, em função da situação da massa térmica. São denominados de fornecimento indireto, pois a radiação incide em primeiro lugar na massa térmica situada entre o sol e o espaço habitável. No caso dos muros de armazenamento ou de inércia, a radiação penetra através de um cristal e seu calor é armazenado diretamente em um muro, normalmente pintado de preto ou de cor escura, absorvente de calor. Este calor posteriormente será irradiado por todo o edifício durante a noite ou dias nublados, atenuando-se as diferenças de temperatura.


Figura 3.3. Sistema de muro de inércia.

Uma variante é o chamado muro trombe que se caracteriza, porque nas partes superior e baixa do mesmo se situam respiradouros, de tal modo que o ar frio das habitações, que penetra pelos respiradouros inferiores, vai subindo à medida que é aquecido pela radiação solar e volta a passar para a habitação pelos respiradouros superiores. Os tetos de armazenamento, em sua versão mais utilizada, consistem em uma instalação de recipientes, ou de um tanque pouco profundo, situados na cobertura do edifício, em contato com o teto, que deve ser de elevada condutividade térmica (figura 3.4). No inverno, o sistema captador é exposto à radiação solar durante o dia, e isolado durante a noite. No verão, o funcionamento se inverte: o isolamento cobre o sistema captador durante o dia e é retirado durante a noite para permitir o esfriamento da água.

Figura 3.4. Sistema de teto de armazenamento.


3.1.4. SISTEMAS DE GANHO MISTO Este sistema é uma combinação do ganho direto e do indireto e pode ser formado por uma estufa convenientemente envidraçada e orientada para o sul, e por uma parede com grande massa térmica entre a estufa e a moradia. Por efeito da radiação, a temperatura interna da estufa aumenta, produzindo transferência de calor para a habitação contigua (figura 3.5).

Figura 3.5. Sistema de ganho misto.

3.1.5. SISTEMAS DE GANHO ISOLADO Estes sistemas utilizam uma superfície de absorção, não integrada propriamente na moradia, para captar a radiação e conduzi-la, com convecção natural por ar ou água, até o interior da moradia. A aplicação mais corrente deste conceito é o circuito de circulação natural por termosifão, que consta de um coletor plano e um tanque de armazenamento (figura 3.6).

Figura 3.6. Sistema de ganho isolado.


3.1.6. OUTRAS CONSIDERAÇÕES Para todos os sistemas, existe alguns conceitos básicos de grande importância, que é preciso ter em conta e manejar convenientemente no momento de projetar a casa. O isolamento térmico

O isolamento térmico deve ser suficiente, assim como permitir a permeabilidade da parede para que trabalhe como regulador natural de tudo o que acontece dentro do espaço. Da mesma forma, deve ser o menos nocivo possível para o homem. Muitos dos materiais altamente isolantes utilizados na construção são certamente tóxicos. A melhor recomendação é construir com tecnologias de argila.

Há que proteger especialmente as janelas de vidros transparentes,

sobretudo durante as horas noturnas. Assim, é muito aconselhável a utilização de vidros duplos ou similares, persianas, cortinas, contra-ventos e demais, para as proteções em tais horas.

A cobertura é o elemento mais exposto aos diversos intercâmbios exterior-interior. Efetivamente, a radiação de verão é 4,5 vezes maior que a de inverno: por isto, há que ter uma boa proteção térmica na cobertura. Durante o verão funcionam muito bem as coberturas ventiladas, ainda que também sejam muito recomendáveis as coberturas vegetais.

Há que ter um cuidado especial no tratamento de continuidade em todo o conjunto selado, procurando não ter pontos mais fracos que outros. As pontes térmicas muitas vezes são conseqüência direta das soluções estruturais e formais escolhidas para a realização. Há que minimizá-las. Os sistemas complexos de proteção térmica não são próprios de nossas ocupações e nos comportam custos extras.

As proteções solares

A primeira medida de proteção deve ser a do controle das superfícies de captação. As janelas e balcões são bastante fáceis de proteger com os beirados, que não deixarão passar a radiação de verão, já que o Sol está alto, e em contrapartida permitirão a captação no inverno. Isto é concretizado com a proteção, principalmente para o sul, de alguns beirados de entre 70 e 80 cm de largura além da parede

As persianas e os beirados tornam possíveis a não produção de superaquecimentos no verão, baseando-se seu funcionamento nas distintas

alturas do sol com respeito ao horizonte.


As proteções solares nas aberturas a oeste são muito necessárias. Devem ser do tipo vertical. Há muitos sistemas de proteção de exterior para fazer com que não entre sol durante o verão: toldos, persianas e guarda-ventos. Nunca deveremos tentar proteger por dentro, pois seguramente favoreceremos a captação de energia.

Figura 3.7. Proteções solares nas janelas de vidros.

As proteções móveis são sempre submetidas às sub-rotinas dos usuários, e isto às vezes não é de todo adequado. Neste sentido, qualquer proteção fixa trabalha muito melhor.

A vegetação pode desempenhar um papel muito importante no controle ambiental. Efetivamente, a utilização de árvores de folha caduca e perene pode nos dar as soluções para o conforto durante todo o ano: nas fachadas ensolaradas, com as árvores de folha caduca podemos obter sol durante o inverno e proteção no verão. A questão se estabelece em escolher a árvore que necessitamos, dependendo da altura dos edifícios e do entorno. Seu emprego proporciona também outras proteções climáticas, além do controle da radiação, e pode nos dar um melhor conforto microclimático que, combinado com a água, permita obter um certo grau de umidade nos períodos desejados.

O armazenamento térmico A melhor propriedade para favorecer a capacidade de armazenamento térmico e manter um bom equilíbrio com o isolante e a resistência à transmissão de calor. Quanto mais massa, maior capacidade de armazenamento térmico. Quando trabalhamos com sistemas que favorecem a captação solar há que aproveitar a energia assim obtida. A forma influi na carga térmica do edifício. Efetivamente, para a mesma superfície edificada e volume, a superfície exposta será menor na medida em que se aproximem as três dimensões do prisma ao qual se pode assemelhar a


casa. Logicamente, para menor superfície exposta existem maiores vantagens do ponto de vista energético, por diminuir as perdas Refrigeração natural A orientação ideal de um edifício depende não somente do grau de insolação, mas também da direção dos ventos dominantes, já que contribuem para aumentar as perdas de calor no inverno e favorecem a ventilação no verão.

Figura 3.8. Refrigeração natural.

Um critério simples é o de fazer circular o ar das zonas mais sombrias para o interior do espaço durante o verão, expulsando-o pelas zonas mais quentes. Iluminação natural Garantir a total iluminação natural dos espaços é importante. Este fato pode ser obtido com a morfologia e a tipologia que escolhamos, buscando sempre toda ou quase toda do exterior, e minimizando as zonas escuras. Ainda que existam sistemas para fornecer luz natural a estas, em uma primeira visão, não é o mais adequado, já que sempre são caras e difíceis de controlar termicamente, mas em muitos lugares podem solucionar nossos problemas. Estas soluções são mais próprias de climas radicais, onde já não se deseja captação solar. O controle da luz natural tanto pode ser feito dentro dos espaços quanto no exterior, sempre que se possa garantir o funcionamento energético. Integração de sistemas de água quente solar A instalação solar de água quente, entendida como um pré-aquecimento é um componente a mais do sistema de produção de água quente (normalmente se trabalha em um circuito fechado com intercambiadores, atuando nos acumuladores).


Pode-se assegurar que é fácil e econômico suprir 80% das necessidades energéticas. Atualmente, a informática e a tecnologia nos facilitam os sistemas coletivos, e por sua vez, a manutenção. 3.2. ENERGIA SOLAR ATIVA Os sistemas ativos empregam a energia contida na radiação solar para aquecer um fluido, geralmente água ou ar. O princípio de funcionamento é simples: baseia-se na captação da energia solar através de um conjunto de coletores e sua transferência a um sistema de armazenamento, que abastece o consumo quando necessário. Em função da temperatura de fluido que se pretenda conseguir, os sistemas ativos podem ser divididos em baixa, alta e média temperatura. Ao longo desta disciplina serão tratados os dois primeiros, sobretudo os de baixa temperatura, pois são os mais estendidos e usados. 3.2.1. ENERGIA SOLAR ATIVA DE BAIXA TEMPERATURA As instalações de baixa temperatura requerem, portanto, o acoplamento dos três subsistemas principais: - Subsistema de captação. Sua finalidade é a captação da energia solar. - Subsistema de armazenamento. Sua finalidade é adaptar no tempo a

disponibilidade da energia e a demanda, acumulando-a quando está disponível, para poder oferecê-la em qualquer momento em que se solicite.

- Subsistema de distribuição ou de consumo. Sua finalidade é a de

transferir aos pontos de consumo a água quente produzida.

O funcionamento dos três subsistemas é condicionado pela meteorologia, fundamentalmente pela radiação solar e pela temperatura, assim como pela demanda. Segundo os circuitos de refrigeração, existem dois tipos de instalações: de circuito aberto e de circuito fechado. No caso das instalações em circuito aberto, a água que circula pelos coletores é empregada diretamente para o consumo, enquanto que nas instalações de circuito fechado, são necessários dois circuitos portadores de calor: o primário e o secundário. O circuito primário é composto pelos coletores solares, onde se produz o aquecimento da água, e pela bomba de impulsão. O calor ganho pela água através dos coletores é cedido através de um trocador de calor ao circuito secundário. O depósito de acumulação armazena a água quente neste circuito secundário.


Como elemento independente do depósito de acumulação, além da bomba do circuito secundário, encontra-se uma fonte energética auxiliar, que entra em funcionamento quando a temperatura da água de saída do acumulador é inferior aos requerimentos da demanda.

Figura 3.9. Sistema aberto (superior) e fechado (inferior) a baixa temperatura.

3.2.2. ENERGIA SOLAR ATIVA DE ALTA TEMPERATURA Para a produção de energia elétrica em grande escala, se estabelece a possibilidade de centrais solares térmicas de grandes dimensões. Com o fim de obter rendimentos aceitáveis, são requeridas temperaturas superiores a 250ºC, as quais são alcançadas por concentração da radiação solar. Da mesma forma, para aumentar a densidade de potência captada, realiza-se um acompanhamento solar de acordo com dois eixos, com o fim de captar a todo instante a máxima quantidade de radiação direta para fazê-la incidir por reflexão sobre uma área muito reduzida. Costuma-se utilizar dois sistemas de concentração: por uma parte, os sistemas de coletores distribuídos, constituídos por espelhos com diferentes geometrias, nos focos dos quais se dispõe o receptor solar onde se aquece o fluido do primário (figura 3.10).


Figura 3.10. Planta de coletores distribuídos.

Entre as geometrias empregadas destacam-se a parabólica de revolução, a cilíndrica parabólica, a cilíndrica, a esférica e a espiral de Arquimedes.

Figura 3.11. Concentrador cilíndrico de espelhos fixos e absorvente focal

móvel.


Figura 3.12. Captador solar com espelhos em espiral de Arquimedes.

Por outro lado, as centrais de torre são formadas por um campo de espelhos orientados (heliostatos) que refletem a radiação sobre uma caldeira independente, situada na parte alta de uma torre central. Ambas as tecnologias encontram-se em estágio de pesquisa, havendo-se realizado instalações de forma pontual e em fase experimental. Atualmente, estas instalações, que podem chegar até acima dos 2000ºC, também são utilizadas para estudos de materiais submetidos à elevadas temperaturas.

Figura 3.13. Central solar de torre. O principal centro europeu de ensaio de aplicações da energia solar térmica é a Plataforma Solar de Almería (P.S.A.). Além da produção de energia elétrica, são levadas a efeito outras linhas de pesquisa relacionadas com o ensaio de


materiais, a arquitetura bioclimática e as aplicações industriais como a secagem e a dessalinização. 3.3. PROCESSOS DIRETOS DE CONVERSÃO ELÉTRICA Os processos diretos de conversão elétrica, também conhecidos sob o nome de energia solar fotovoltaica, são baseados no efeito fotovoltaico. De forma muito resumida, o efeito fotovoltaico é produzido ao incidir a radiação solar sobre um tipo de materiais denominados semicondutores. A energia recebida provoca um movimento caótico dos elétrons no interior do material. Caso sejam unidas as duas regiões de um semicondutor, para as quais artificialmente se tem dado algumas concentrações diferentes de elétrons (mediante a adição de algumas substâncias, denominadas dopadoras, como o fósforo ou o boro), provoca-se um campo eletrostático constante que reconduzirá o movimento de elétrons na direção e no sentido desejado. O material formado pela união de duas zonas com concentrações diferentes de elétrons é denominado de união PN. Desta forma, quando sobre a célula solar fotovoltaica incide a radiação solar, aparece nesta uma tensão análoga à que se produz entre os terminais de uma pilha. Através da colocação de contatos metálicos em cada uma das faces pode-se extrair a energia elétrica, que é útil em diferentes aplicações. O contato metálico da face sobre a qual incide a radiação solar costuma ter a forma de grade, de maneira que permite a passagem da luz e a extração da corrente em toda a sua superfície simultaneamente. A outra face é totalmente recoberta de metal.

Figura 3.14. Diagrama de funcionamento de uma célula fotovoltaica.


A grande maioria de células solares disponíveis no mercado é de silício mono ou policristalino. O primeiro tipo se encontra mais generalizado e embora seu processo de elaboração seja mais complicado, costuma apresentar melhores resultados com referência à sua eficiência.

Figura 3.15. Células fotovoltaicas.


4. – EQUIPAMENTOS E SISTEMAS 4.1. SUBSISTEMA DE CAPTAÇÃO: O COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA O coletor solar é o elemento encarregado de captar a energia contida na radiação solar e de transferi-la para o fluido a ser aquecido. O tipo de coletor mais utilizado é o denominado coletor solar plano, ainda que existam distintos tipos de coletores que, embora se encontrem em fase comercial ou de demonstração, possuem um menor grau de implantação, como os coletores solares a vácuo e os coletores cilindro - parabólicos. Outros elementos de captação, providos de sistemas concentradores, de acompanhamento, etc., são experimentais e destinados à aplicações de média e alta temperatura. Os captadores podem ser: - Coletores concentradores: Os raios solares são concentrados de alguma maneira para incidir em uma menor superficie absorvente. Estes são utilizados para a produção de calor a alta temperatura, mais de 150ºC, normalmente para aplicações especiais, e não utilizam água. - Coletores a vácuo: São utilizados em aplicações em que seja necessário obter temperaturas de até 150ºC. A captação é realizada no interior de um tubo de vidro no qual se tenha feito o vácuo, e que por sua vez contém uma série de tubos, condutores do fluido portador de calor, com aletas recobertas de uma superfície seletiva. Graças à câmara na qual se tenha feito o vácuo, evita-se a convecção e as perdas correspondentes, com o que se pode chegar à temperatura indicada, suficiente para gerar vapor. - Coletores planos: Transformam a energia incidente diretamente em um absorvente de superfície plana. São os mais usados em sistemas ativos de baixa temperatura, e utilizam água ou água com aditivos na maioria das aplicações. Com relação aos tipos, são empregados principalmente:

O coletor plano sem cobertura, formado por uma superfície absorvente exposta diretamente ao Sol e um sistema de condutos de líquido, o qual transporta o calor produzido. Utiliza-se para aquecer à temperatura muito baixa , de até 35ºC, ou para o aquecimento de piscinas, em climas ou estações não frias.

O coletor plano com caixa e cobertura, baseado

fundamentalmente no efeito estufa, e utilizado para as aplicações térmicas mais comuns, de até 80ºC, com água quente e calefações em geral. Estes são constituídos basicamente pelos seguintes elementos:

- Absorvedor.


- Cobertura transparente. - Circuito de fluido. - Isolamento térmico. - Caixa envolvente ou carcaça. - Juntas.

Sucessivamente nos referiremos com exclusividade ao coletor de placa plana por ser o sistema mais utilizado na atualidade. A característica específica dos coletores planos é que necessitam de qualquer tipo de concentração da energia incidente; captam tanto a radiação direta como a difusa e precisam de qualquer forma de acompanhamento da posição do sol, ao longo do dia. Embora existam coletores planos nos quais o fluido para seu aquecimento é o ar, os mais utilizados, com grande diferença, são os de água. A principal distinção entre os coletores de líquido e os coletores de ar está no tamanho e na configuração dos condutos de fluido, pois o ar flui geralmente sob o absorvedor plano, extendendo-se por quase toda a superfície à velocidade adequada para que a transferência de calor seja efetiva. Os elementos básicos do coletor plano individual são ilustrados na figura 4.1.

Figura 4.1 Seção de um típico coletor solar plano.

4.1.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 4.1.1.1. ABSORVEDOR Sua missão é captar a radiação solar, transformá-la em calor e transmitir esta forma de energia a um fluido portador de calor. Costuma-se construí-lo de cobre, aço preto ou inoxidável, alumínio, etc. Este último, a não ser que se utilize um fluido especial, não é aconselhável, já que aparecem fenômenos muito rápidos de corrosão.


Com o fim de conseguir aumentar a capacidade de absorção, o absorvente é coberto com pintura preta. A camada de pintura, sem embargo, será o mais fina possível, já que em geral as pinturas são materiais isolantes ou mau condutores de calor. A película de recobrimento deve ser fosca, para evitar os fenômenos de reflexão. O tratamento aplicado à placa absorvente é denominado de "tratamento seletivo". O índice de efetividade das superfícies seletivas é determinado pelo quociente entre a absorbância e a emitância dos materiais utilizados para tratá-las. Este tratamento é realizado com o objetivo de obter uma alta capacidade de absorção e uma baixa emissão, reduzindo desta maneira as perdas térmicas do interior do captador. Os tratamentos superficiais seletivos mais comuns são realizados com substâncias como o cromo e o níquel opaco

A superfície seletiva com melhores resultados foi desenvolvida tendo como

base a disposição de uma camada de níquel no absorvedor e, sobre ela, uma delgada camada de óxido de cromo.

Tabela 4.1.Tratamentos seletivos: Índices de Efetividade de alguns tratamentos

Tratamento Absorbância Emitância Índice de Efetividade

Opaco de níquel sobre níquel

0,93 0,03 15,5

Ni-Zn-S sobre níquel 0,96 0,07 13,7 Opaco de cromo sobre

níquel 0,92 0,1 9,2

Opaco de ferro sobre aço 0,9 0,1 9 Opaco de zinco 0,9 0,1 9 Opaco de cromo 0,89 0,1 8,9

Opaco de cobre sobre cobre

0,87 0,1 8,7

Óxido de cobre sobre alumínio

0,93 0,11 8,4

Esmalte Cerâmico 0,9 0,5 1,8 Pintura acrílica preta 0,95 0,9 1,06 Pintura silicone preta 0,93 0,9 1,03

Pintura inorgânica preta 0,94 0,92 1,02 Com relação ao desenho da superfície absorvedora, embora tenham existido vários no passado, existem atualmente apenas dois tipos no mercado, com diferenças na forma e geometria: - De pranchas conformadas e soldadas, que geralmente são de aço e com dimensões de 2 m2.


- Um sistema de aletas e tubos embutidos, soldados ou grampeados, majoritariamente de cobre, com dimensões aproximadas de 1,7 m2.

Figura 4.2. Diferentes configurações da superfície absorvente.

4.1.1.2. COBERTURA TRANSPARENTE Trata-se de uma superfície transparente que se coloca sobre a placa absorvente e que provoca dentro do recinto a manifestação do efeito estufa, ao mesmo tempo em que a protege dos agentes atmosféricos e reduz as perdas. Este elemento, ainda que deixe passar a radiação solar, é opaco para as radiações emitidas pela placa absorvente que se situam dentro da franja dos infravermelhos. Embora tenham sido comercializados coletores com mais de uma cobertura e de materiais plásticos, o mais habitual é que seja uma única superfície de vidro, pois se torna mais econômico e resistente. A cobertura absorve toda a radiação que provém da placa, aumentando a temperatura e, nestas condições, se comporta para a radiação infravermelha como um "corpo negro". Suas duas faces irradiam com o que o absorvente receberá, além da radiação solar, a metade da emitida pelo vidro (face interior), produzindo assim o efeito estufa. Desta simples forma, consegue-se que a superfície absorventes do captador alcance temperaturas notavelmente superiores às que seriam obtidas sem o vidro da cobertura (figura 4.3).


Figura 4.3. Funcionamento do captador solar plano.

O espaço livre aconselhado entre o absorvedor e a cobertura transparente é da

ordem de 25-40 mm.

Os plásticos laminados, embora alguns cumpram uma missão específica, deterioram-se pela influência da radiação ultravioleta e por sua pequena espessura; ademais, são frágeis à ação do vento, tendo que ser sustituídos periodicamente. A utilização de duas coberturas melhora o rendimento, porém é mais cara e complica a configuração do coletor, aumentando seu peso. Este aumento de rendimento não compensa os inconvenientes assinalados e a solução normal é recorrer a uma cobertura única. Por último, cabe mencionar que a cobertura deve ser completamente vedada para evitar a penetração de partículas de poeira ou umidade, pois estas provocam uma deterioração do coletor, além de uma diminuição do rendimento do mesmo, por absorver parte da radiação incidente. 4.1.1.3. CIRCUITO DE FLUIDO O circuito de fluido deve estar diretamente em contato com o absorvedor, de forma que a transmissão de calor ao fluido se realize nas melhores condições. Existem diferentes modos de realizar o contato entre o circuito de fluido e o absorvedor para o caso de coletores de água, dentre os quais podem ser citados:

- Sistema aberto ou por gotejamento. - Sistema sandwich ou radiador. - Sistema de soldagem.


No caso do sistema aberto, a placa que constitui o absorvedor possui forma ondulada, de maneira que a água circula diretamente pelos canais originados pela ondulação. Desta forma, o fluido penetra no coletor por uma tubulação de alimentação perfurada, fazendo com que a água goteje até os canais anteriormente citados, que a conduzem até uma tubulação de coleta localizada no lado oposto do coletor. Esta disposição é a mais barata das que podem ser implantadas, ainda que apresente sérios inconvenientes, tais como as grandes perdas de calor por evaporação da água que percorre os canais, o papel de filtro à radiação solar e o ataque sobre o material da cobertura exercido por tal fluido. No sistema sandwich, a água a aquecer flui entre duas placas de tal forma que a superior desempenha o papel de absorvedor ao receber diretamente a radiação solar incidente. O sistema de soldagem se caracteriza porque o circuito e o absorvedor estão soldados, adquirindo o circuito a forma de serpentina ou de retícula. No primeiro caso, podem existir problemas pela excessiva resistência à circulação da água por seu interior, enquanto que no sistema de retícula aparecem, com freqüência, dificuldades originadas pela presença de bolhas de ar no circuito. Em qualquer caso, tanto a soldagem como os materiais que formam o circuito da água e do absorvedor, devem permitir uma boa condutividade térmica e, em conseqüência, hão de ter um alto coeficiente de condutividade. O tubo de cobre é o material mais vantajoso com respeito ao peso, ao menor enrugamento, à facilidade de manipulação e resistência à corrosão, e por possuir uma alta condutividade térmica, sendo por este motivo empregado nos condutos do circuito de fluido. 4.1.1.4. ISOLAMENTO TERMICO O coletor deve incorporar materiais isolantes tanto no fundo, sob a superfície absorvente, quanto nas laterais, com o fim de reduzir as perdas de calor do absorvedor para a carcaça

O isolamento situa-se entre a carcaça e o absorvedor, reduzindo as perdas

térmicas por transmissão na parte posterior e lateral do captador.

Costuma-se utilizar espumas rígidas de poliuretano, fibra de vidro, poliestireno expandido, etc. Em qualquer caso, o isolamento deverá manter todas as suas propriedades estáveis, à temperatura de regime do captador. Qualquer que seja o material escolhido, deve ter, além de uma baixa condutividade térmica, um coeficiente de dilatação compatível com os dos outros materiais que formam o coletor solar (figura 4.4).


Figura 4.4. Isolamento térmico.

É aconselhável colocar uma lâmina refletora na face superior do isolante para evitar seu contato e refletir a radiação infravermelha emitida por este para a placa absorvente. 4.1.1.4. CAIXA ENVOLVENTE OU CARCAÇA Constitui o suporte para os elementos que formam o captador, ou seja, faz o papel de base oferecendo ao mesmo tempo a rigidez e a resistência estrutural que assegura sua estabilidade dimensional. Do mesmo modo, deve mostrar-se hermética e resistente aos efeitos das intempéries e da corrosão. Não há de resistir à tensões mecânicas importantes e, em conseqüência, pode ser construída com materiais diversos: aço galvanizado ou inoxidável, alumínio, plástico, fibra de vidro, etc. Estas últimas alternativas são seguras e relativamente econômicas, porém deve-se garantir sua resistência aos efeitos das intempéries. 4.1.1.6. JUNTAS Permite a estanquidade do coletor com relação à cobertura e à carcaça, podendo ser de borracha pré-formada ou silicone. 4.1.2. ESTUDO ENERGÉTICO DO COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA Tal e como mencionado anteriormente, o coletor de placa plana é baseado em:

- Uma caixa ou carcaça com uma cobertura transparente, através da qual penetra a radiação solar no interior, produzindo o denominado efeito estufa.


- Uma superfície captadora que transforma a energia recebida em forma de radiação, da maneira mais eficiente possível, em energia térmica.

- Uma série de condutos de água incorporados no absorvente, que

atuam como intercambiadores de calor, do absorvedor ao fluido, alcançando a temperatura suficiente para aquecer o líquido portador de calor e transferindo-lhe a energia para sua posterior utilização.

Figura 4.5. Distribuição da radiação solar em um captador

Em um captador solar de líquido, a transformação da energia solar em térmica é produzida ao incidir os raios solares sobre a superfície absorvente, produzindo assim um aumento de temperatura no absorvente e, ao mesmo tempo, no líquido portador de calor, o qual é dirigido para o acumulador ou para o uso direto. 4.1.2.1. BALANÇO ENERGÉTICO O balanço energético de um captador solar plano é determinado pela equação de Bliss

Q1 = Q - Q2 - Q3

em que: Q1 = Energia incidente total (direta + difusa + refletida). Q = Energia útil. Q2 = Energia perdida por dissipação ao exterior. Q3 = Energia armazenada em forma de calor no captador.


A energia útil do captador em um dado momento, em função da radiação solar e da temperatura ambiente, é a diferença entre a energia absorvida e a perdida:

Q = Sc x [RI () - UL.(tm – ta)

em que:

Sc = superfície do captador, m2. RI = radiação incidente total sobre o captador por unidade de

superfície, W/m2. = transmitância da superfície transparente. = absortância da placa. UL = coeficiente global de perdas, W/m2 ºC. tm = temperatura média da placa absorvente, ºC. ta = temperatura ambiente, ºC.

Os ensaios de captadores costumam ser realizados no exterior, em dias claros próximos ao meio-dia solar, ou no interior, por meio de um simulador solar. Em qualquer caso, a componente difusa da radiação solar é mínima e a incidência da radiação é próxima da normal. Em conseqüência, o produto dentro dos parênteses () corresponde à radiação direta com incidência normal e escreve-se da forma ()n. 4.1.1.2. CURVA CARACTERÍSTICA OU RENDIMENTO DE UM COLETOR SOLAR DE PLACA

PLANA (C.P.P.) O comportamento de um coletor de placa plana é definido por sua curva característica (figura 4.6).

Figura 4.6. Curva de rendimento de um coletor solar de placa plana.


A curva característica ou de rendimento representa no eixo de ordenadas a eficácia do coletor (definido como a relação entre o calor útil fornecido ao aquecimento do fluido que circula por seu interior e a energia recebida pelo coletor)

= F()N – FUL. (te - ta)/ RI

em que:

= rendimento prático do coletor. F,UL = inclinação da reta, W/m2 ºC (dados fornecidos pelo

fabricante). te = temperatura de entrada para o coletor, ºC. ta = temperatura ambiente, ºC. RI = radiação incidente no plano do captador, W/m2.

Nesta reta, o ponto de corte com o eixo de ordenadas corresponde ao máximo rendimento do coletor, e aparece no caso da temperatura de entrada coincidir com a temperatura ambiente. Do contrário, o ponto de corte com o eixo horizontal corresponde com a diferença entre a temperatura de entrada e a do ambiente, de tal maneira que as perdas de calor são iguais ao suprimento solar, sem produzir-se nenhuma forma de ganho líquido no equilíbrio

Um captador será tanto melhor quanto maior for o valor de sua ordenada na

origem e menor o da inclinação.

À medida que a temperatura de entrada cresce, o rendimento diminui, já que é emitida maior energia por parte do coletor: por isso, a curva varia sensivelmente de acordo com o tipo de coletor. Os valores médios representativos podem ser:

- Para um coletor com tratamento não seletivo =0,80 - 0,73 T*. - Para um coletor com tratamento seletivo =0,78 - 0,50 T*.

Há uma norma oficial para a homologação de coletores, na qual se avalia a curva característica dos diferentes modelos, existindo algumas exigências mínimas de rendimento. Esta avaliação é realizada sobre equipamentos novos e de forma pontual, sem ser em geral representativa do comportamento do coletor ao longo de sua vida de trabalho, já que sua eficácia pode evoluir de diferente maneira com o passar do tempo. 4.1.2.3. FLUIDO PORTADOR DE CALOR O fluido portador de calor é o líquido que se aquece ao absorver a energia recebida pelos captadores. Entre as funções que realiza se destacam:


- O uso direto, consumindo o mesmo líquido (normalmente água). - A acumulação direta no acumulador solar para seu consumo

posterior. - A transferência de energia mediante um intercambiador, com o qual

o líquido se esfria e aquece, por sua vez, outro meio (normalmente água, ar, terra, etc.).

Geralmente, este líquido é água, ou ainda água misturada com aditivos anticongelantes, segundo a climatologia ou tipo de água existente no lugar da instalação. Também são empregados líquidos orgânicos sintéticos ou derivados de petróleo e óleos siliconados. Os aditivos são acrescentados para:

- Proteção contra as geadas (anticongelantes). - Proteção dos componentes da instalação (estabilizantes e

inibidores da corrosão). Em qualquer caso, é conveniente que os fluidos possuam:

- Um calor específico igual ou maior a 0,7 kcal/kg ºC. - Um pH compreendido entre 5 e 12. - Um conteúdo em anticongelante igual ou maior a 20% a menos de -6 ºC. - Um conteúdo total em sais solúveis menor do que 500 mg/l. - Um controle de qualidade anual. - Se forem utilizados preparados anticongelantes e inibidores comerciais,

se deverá especificar sua composição e duração em condições normais.

Água natural Da mesma maneira que o líquido com aditivos anticongelantes é destinado aos circuitos fechados de calefação, etc., a água natural é destinada ao uso direto. A água tem a característica de ser mais líquida que a água com aditivos, facilitando desta maneira sua circulação ao longo de todo o circuito e reduzindo as perdas de carga. Água com adição de anticongelante Utilizada como fluido portador de calor nos circuitos fechados de calefação, constitui uma das diversas medidas de segurança contra o congelamento do fluido naquelas instalações situadas em zonas onde a temperatura chega a mínimos próximos de 0ºC. Devem ser levadas em conta as diferenças das propriedades físicas entre a água normal e estes líquidos anticongelantes. A viscosidade pode ser maior, sobretudo a frio, aumentando as perdas de carga no circuito e modificando as condições de funcionamento, principalmente na arrancada.


As características mais gerais são:

- Toxicidade. Os anticongelantes são em geral tóxicos, seja por sua própria composição, seja pela adição de produtos inibidores da corrosão, motivo pelo qual é necessário assegurar a impossibilidade de mistura entre estes e a água de consumo. A maneira mais prática de consegui-lo é fazer com que a pressão do circuito primário seja inferior à do secundário, de maneira que um contato entre ambos os fluidos por ruptura no ponto de intercâmbio provoque a passagem da água para o circuito primário, mas nunca ao contrário. Ademais, a válvula de segurança do circuito primário deverá estar ajustada à uma pressão inferior à da água de rede, para provocar seu funcionamento no caso da avaria citada.

- Viscosidade. A adição de um anticongelante aumenta notavelmente a viscosidade da água, sendo preciso ter isto em conta nos cálculos de perda de carga das instalações e na potência do eletrocirculador, em especial pela arrancada a frio depois da parada da instalação durante a noite.

- Dilatação. O coeficiente de dilatação dos anticongelantes é superior ao da água ordinária, motivo pelo qual deverá ser levado em conta ao calcular o vaso de expansão. Como norma de segurança, será suficiente utilizar um anticongelante em proporções de até 30%, e aplicar um coeficiente corretor de 1,1.

- Estabilidade. A maior parte dos anticongelantes se degrada em temperaturas da ordem de 120ºC, e pode gerar produtos corrosivos para os materiais que constituem o circuito.

- Calor específico. O calor específico da mistura de água com anticongelante é inferior ao da água sozinha, motivo pelo qual deverá ser levado em conta no cálculo da vazão e, portanto, afetará no dimensionamento da tubulação e do eletrocirculador.

- Temperatura de ebulição. A presença de anticongelante eleva a temperatura de ebulição da água, mas não demasiado, motivo pelo qual não será necessário tê-lo em conta, já que se trata de um efeito favorável.

Fluidos orgânicos Existem dois tipos de fluidos orgânicos: os sintéticos e os derivados de petróleo. As precauções assinaladas com respeito à água com anticongelantes devem ser tomadas igualmente em consideração com referência à toxicidade, à viscosidade e à dilatação deste tipo de fluidos. Ademais, por serem combustíveis, apresentam um risco adicional de incêndio. Por outro lado, são quimicamente estáveis a temperaturas elevadas.


Há toda uma gama de produtos que somente se diferenciam entre si pela zona de temperaturas nas quais podem ser utilizados e pela variação de sua viscosidade em tal margem de temperaturas. Óleos siliconados Geralmente são produtos estáveis e de boa qualidade, atóxicos e não inflamáveis, mas seus atuais preços não permitem sua generalizada utilização, pelo menos enquanto não se produza uma diminuição de seu custo que os deixe no nível alcançado pelos fluidos orgânicos. Proteção contra o congelamento e a ebulição A proteção antigelo é necessária nas instalações que sejam realizadas em zonas com risco de geadas. Pode ser realizada de diferentes maneiras:

- Adição de anticongelante no circuito. - Utilização de líquido especial fornecido pelo fabricante. - Circulação forçada em caso de temperaturas mínimas com risco de

geadas. - Aquecimento do circuito à temperatura mínima pelo risco de

geadas. - Esvaziamento da instalação durante o inverno.

O isolamento não constitui uma proteção antigelo por si mesmo. O sistema mais seguro e empregado é a adição de anticongelante no circuito. O anticongelante pode ser utilizado com uma mistura de propilenglicol com água e inibidores da corrosão. Aconseha-se a utilização de preparados e concentrados anticongelantes com aditivos inibidores, garantidos pelo fabricante, para diluir com água ou por aplicação direta. Se não há risco de falta de corrente elétrica, podem ser consideradas as soluções de circulação forçada a uma temperatura mínima e à de aquecimento do circuito; a primeira pode ser suficiente em zonas de pouco risco de geadas ou de temperaturas mínimo altas de 0-5ºC, e a segunda, complementa a primeira unicamente em circuitos diretos, onde o líquido que circula é água de consumo. Não se aplicará o aquecimento com energia elétrica como sistema de proteção antigelo diretamente aplicado no captador ou no acumulador, se este se encontra no exterior. Em todos os casos, o técnico ou o fabricante dos equipamentos facilitará os seguintes dados com a solução proposta:


- Sistema apropriado de proteção antigelo. - Características do anticongelante necessário. - Porcentagem de composição da mistura com água. - Sistema de regulação para a circulação forçada e para o

aquecimento. Ao mesmo tempo, o anticongelante serve de medida contra a ebulição, pois contribui para elevar a temperatura.

4.2. SUBSISTEMA DE ARMAZENAMENTO. OS ACUMULADORES Tanto a energia que se recebe do Sol quanto a demanda de água quente, são dependentes do tempo e nem sempre os requerimentos para esta se produzirão quando se disponha da suficiente radiação. Portanto, se se quer aproveitar ao máximo as horas de sol, será necessário acumular a energia naqueles momentos do dia em que isto seja possível e utilizá-la quando se produza a demanda. O mais habitual é armazenar a energia em forma de calor sensível7 por meio da água que será demandada posteriormente. Tal armazenamento se produzirá nos denominados tanques ou depósitos de acumulação.

A todo sistema de armazenamento deve-se exigir: alta capacidade calorífica, volume reduzido, temperatura de utilização de acordo com a necessidade, rapidez de resposta à demanda, baixo custo, segurança e longa duração.

A escolha do material para o tanque depende de vários fatores: tipo de aplicação, lugar de instalação, custo, vida média calculada e facilidade de manutenção. Os tanques de acumulação normalmente são construídos, dado seu custo acessível, de aço tratado adequadamente, mediante banho galvanizado, pintura epóxi, etc., para evitar o fenômeno da corrosão. Em todo caso, a temperatura de armazenamento não deve superar 65ºC. Por outro lado, o aço inoxidável é, sem sombra de dúvidas, o melhor material. Seu único inconveniente é o preço. Outros materiais, embora sejam econômicos (alumínio), apresentam graves problemas de corrosão, ou ainda são mais caros (fibra de vidro reforçada) ou não adequados para trabalhar à pressão da rede (fibrocimento). Quanto à forma, esta geralmente é cilíndrica por sua facilidade de construção. A dimensão vertical deve ser maior que a horizontal, já que desta maneira se favorece o fenômeno da estratificação. Assim, da parte de cima do tanque (água quente) se extrai a água para o consumo, enquanto que o aquecimento

7

Pode-se armazenar energia térmica elevando a temperatura de substâncias inertes (água, pedras, etc.), o que se chama

armazenamento por calor sensível; ou ainda como calor de fusão de sistemas químicos; ou em reações químicas reversíveis,

como a desidratação de alguns hidróxidos.


solar é aplicado na parte de baixo, com o que se faz funcionar os coletores à mínima temperatura possível, aumentando seu rendimento. A verticalidade dos tanques de armazenamento possui outras vantagens, como a necessidade de menos espaço, aproveitando melhor a altura das habitações e economizando no suporte ou ancoragem, que geralmente é incorporado ao tanque. Geralmente é freqüente o uso de mais de um acumulador conectado em série, sobretudo em instalações grandes, e muito particularmente quando se quer obter níveis de temperatura diferentes.

Figura 4.7. Acumulador em série.

Um dos problemas mais importantes das instalações solares é a qualidade da água, que afeta de maneira especial o tanque de acumulação ao se produzir o fenômeno da corrosão. Este é um problema genérico próprio de todos aqueles equipamentos que trabalham com água. Em geral, não é aconselhável o emprego de dois metais de diferentes naturezas, já que se favorece a criação de pares galvânicos. É aconselhável, como norma geral, proteger o acumulador por meio de um ânodo de sacrifício. 4.2.1. O ACUMULADOR DE A.Q.S. As características mínimas que devem ser cumpridas pelos acumuladores para água quente sanitária são:

- Sua fabricação deve estar de acordo com o "Regulamento de Aparelhos à Pressão e Instruções Técnicas Complementares".

- A pressão mínima de serviço deve ser de 6 kg/cm2.


- Deve ser provido de um dispositivo de proteção contra as sobre pressões, com a correspondente válvula de segurança e reguladora de pressão, se for necessária.

Há que esclarecer que os acumuladores de uso não sanitário não estão submetidos a estas características mínimas. O técnico projetista da instalação solar ou o fabricante dos equipamentos solares determinarão em cada projeto o volume e as características da acumulação, indicando como mínimo:

- Volume e sistema de acumulação. - Principais dimensões dos acumuladores. - Situação e dimensões das embocaduras. - Pressão máxima de serviço e pressão de prova. - Materiais construtivos e tratamento interior. - Material e espessura do isolamento. - Contra-senha e data do registro de tipo. - Número de fabricação. - Garantia e condições contratuais da mesma.

A dimensão dos tanques de acumulação deverá estar em proporção com o consumo, cobrindo a demanda de água quente de um a dois dias. Em geral, costuma-se dimensionar para níveis de insolação, em função da superfície de captação, à razão de 60-100 litros por m2 de superfície útil. Recorrer a volumes de armazenamento maiores, em realidade, não é prático, já que diminui a temperatura média do tanque, além de encarecer a instalação. Tabela 4.2. Seleção do depósito acumulador.

Consumo (horas) ------- < 24 >24 <72 Volume de acumulação (litros x m2

captador) 35 - 50

50 - 75

75 - 150

4.2.2. OS INTERCAMBIADORES Em circuito fechado, o elemento diferenciador é o intercambiador. Através deste se produz uma circulação independente da água que circula pelo coletor e da água de consumo. Para instalações pequenas ou médias, costuma-se incorporar um interacumulador, no interior do qual se coloca o intercambiador. Por outro lado, nos projetos de considerável importância, o mais usual é dispor de um intercambiador de placas ou tubular e envolvente, o que significa acrescentar um elemento a mais de bombeamento ao circuito secundário.

Os intercambiadores(TROCADORES DE CALOR) podem ser de diferentes tipos:


- Intercâmbio líquido - líquido: dupla camisa, serpentina, tubos,

placas. - Intercâmbio líquido - ar, também denominados de emissores de

calor, radiadores, aeroconvectores. - Outras: calefações para solo radiante (câmaras, naves, pistas,

terrenos desportivos, etc.). O intercambiador deve transmitir a energia do primário solar ao médio de uso, nas melhores condições de temperatura (mínimo salto térmico) e com grande rapidez (máximo rendimento). Por sua posição na instalação, os intercambiadores são interiores ou exteriores. Por sua construção, são de serpentina helicoidal, de feixe tubular, de dupla envolvente ou de placas. Por seu regime de funcionamento, podem trabalhar por termosifão ou forçados mediante eletrocirculador. O projetista ou fabricante do equipamento determinará as características e o tipo de intercambiador a ser empregado, especificando como mínimo:

- Tipo a ser utilizado. - Pressão máxima a suportar. - Vazão e perda de carga no primário e no secundário. - Potência de intercâmbio. - Saltos térmicos no primário e no secundário.

Com respeito aos intercambiadores líquido - líquido, aos de dupla camisa, de serpentina e de tubos, geralmente são incorporados no acumulador solar, sendo os mais indicados por termosifão, os de dupla camisa, por sua escassa perda de carga. As características mínimas a cumprir serão:

- Salto térmico máximo no primário de 10ºC para a máxima potência de captação.

- Pressão de trabalho mínima das válvulas de segurança. - Temperatura de trabalho de 100ºC. - Materiais compatíveis com os fluidos de trabalho no primário e

secundário. Do mesmo modo, na instalação se preverá o sistema de limpeza e de isolamento. O intercambiador incorporado na acumulação nem sempre permitirá sua limpeza e manutenção. Justifica-se sua aplicação pela simplicidade da instalação que comporta; é o sistema mais usado por equipamentos termosifão e forçados de até 500 ou 1000 litros. Por outro lado, sua utilização apresenta importantes inconvenientes:


- Representa uma perda de rendimento do sistema. Efetivamente, há uma diferença de temperatura entre os líquidos primário e secundário que oscila entre os 5ºC e os 10ºC e, por conseguinte, os coletores devem funcionar a uma temperatura superior à do fluido secundário.

- Eleva o custo da instalação, não somente por si mesmo, mas

também por uma série de elementos que os acompanham necessariamente.

- Nas instalações de A.Q.S., devem estar sujeitos a uma

regulamentação, aplicável quando o líquido primário não é água potável.

- Não recomenda-se sua implantação em instalações de mais de 12

m2 de captador.

Um intercambiador demasiado grande ou demasiado pequeno é uma fonte de

perdas. Ademais, ao trabalhar em condições muito variáveis, nunca estará perfeitamente adaptado às condições de trabalho em um dado momento.

Se o intercambiador estiver submergido no depósito de armazenamento, ou envolvendo o referido depósito, sob forma de duplo envolvente, o líquido do circuito secundário se achará em circulação natural. Nestas condições, e com um depósito bem estudado, pode-se utilizar um efeito de estratificação do líquido do secundário, que estará mais quente na parte superior do depósito. Pelo contrário, o secundário estará em circulação forçada quando o intercambiador se localizar no exterior do depósito, produzindo-se o movimento do líquido no depósito de forma contínua, sem haver lugar para a estratificação. As características mínimas a serem indicadas pelo projetista ou pelo fabricante do equipamento serão:

- Pressão máxima do primário com o secundário a 0 kg/cm2 ou vácuo.

- Pressão máxima de trabalho do primário e do acumulador. - Superfície e material de intercâmbio. - Vazão nominal e perda de carga (somente para circulação forçada). - Tipo e materiais de construção da carcaça, das conexões e de

intercâmbio. O intercambiador, independentemente, permite obter a potência necessária sem limitações. Terá as seguintes características:

- Será desmontável e permitirá a limpeza fácil do primário e secundário.

- Admitirá a pressão de trabalho independente para cada circuito.


- Aplicado à água sanitária e às piscinas, será preferencialmente de aço inoxidável.

Figura 4.8. Seleção do intercambiador de calor.

Os dois parâmetros que melhor caracterizam um intercambiador são o rendimento e a eficácia de intercâmbio, sendo os valores mais usuais entre 60% e 80%. Os melhores materiais por ordem de qualidade são o aço inoxidável, o cobre e o aço galvanizado, com a precaução para este último que a temperatura de trabalho não supere os 65ºC. 4.3. SUBSISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO E CONSUMO Na hora de selecionar os materiais que serão utilizados na instalação, como as conduções, os isolamentos, as juntas, etc., deve-se considerar que devem admitir dilatações e temperaturas com variações rápidas e durante muitos ciclos diários estacionais.

4.3.1. TUBULAÇÕES Exemplos claros do anteriormente exposto são as tubulações, as quais constituem um elemento básico comum a todas as instalações. As conduções interconectam os grupos de captadores, formando o circuito primário, pelo qual circula o líquido térmico, devendo estar garantida sua estanqueidade hidráulica. Por este circuito circula o fluido portador de calor, que transfere o calor captado pela placa absorvente. Geralmente, trata-se de água com uma mistura de anticongelante, naqueles lugares em que a temperatura chega a ser próxima de 0ºC, para evitar o congelamento do líquido. Também constituem o circuito hidráulico que une os subsistemas de produção de água quente com seu consumo. É aconselhável a revisão da mistura para


assegurar a correta dosagem e a conservação de todas as propriedades do anticongelante.

Figura 4.9. Tubulações e acessórios de polipropileno.

Entre outros, as tubulações devem reunir uma série de requisitos indispensáveis como:

- Permitir as dilatações, por causa dos importantes saltos térmicos. - Colocar purgadores sempre que seja necessário, para evitar a

formação de bolhas de ar. - Devem ser constituídas por um material resistente, ou protegidas da

corrosão, tanto internamente quanto externamente, evitando os efeitos nocivos dos agentes ambientais atmosféricos.

- Terão uma duração mínima de 50 anos em normais condições de trabalho.

- Estarão isoladas termicamente em todos os casos e dimensionadas em função das vazões a considerar.

- As juntas de dilatação serão instaladas naqueles lugares onde as variações de temperatura sejam mais acusadas (por exemplo, à saída dos painéis).

- Serão levadas em consideração a incompatibilidade entre os materiais que intervenham no primário (pares galvânicos) e serão tomadas as medidas corretivas que sejam oportunas.

- Disponibilizarão das correspondentes fixações, que deverão cumprir alguns requisitos idênticos.

- No serão construídos traçados retos muito longos, salvo que neles sejam montadas mangas ou juntas de dilatação.


4.3.1.1. PERDAS DE CARGA E CÁLCULO DE TUBULAÇÕES Quando um líquido circula pelo interior de un tubo reto, sua pressão diminui linearmente ao longo do mesmo, inclusive quando se encontra em posição horizontal. Esta queda de pressão, denominada perda de carga, depende do comprimento L do tubo considerado (distância entre os dois pontos em que se mede a pressão), e também de outras variáveis, como o diâmetro D do tubo, a velocidade, o peso específico do fluido e de um coeficiente de atrito, que depende ao mesmo tempo da rugosidade da superfície interior do tubo e das características da corrente fluida. Em toda tubulação reta ou com curvas suaves, se a corrente é lenta, seu regime é ordenado, pelo que respeita às partículas do fluido, que são sempre paralelas ao eixo da tubulação. Em contrapartida, se a velocidade da corrente aumenta suficientemente, as trajetórias mudam continuamente. O regime de circulação ordenado é denominado laminar, e o desordenado, turbulento. A transição de um para outro regime ocorre de uma maneira mais ou menos brusca, e o instante em que se produz é denominado de estado crítico, sendo função da velocidade, do diâmetro e da viscosidade do fluido circulante. O estado da corrente e, conseqüentemente, seu estado crítico, pode ser descrito por uma magnitude adimensional denominada número de Reynolds, R.

DcR

em que:

R = número de Reynolds, adimensional. c = velocidade do fluido, m/s. D = diâmetro da tubulação, m. = densidade do fluido, kg/m3. = coeficiente de viscosidade, Pa·s.

A transição de regime de corrente laminar para turbulento, ou estado crítico, é alcançada a 2400. Em tubos de seção circular e retos, o regime é sempre laminar abaixo deste valor, ainda que tenham sido obtidos em ensaios regimes laminares com valores superiores sempre que se evitem as perturbações. De todas as formas, quando for maior que 3000, a corrente é sempre turbulenta. Admitido que fosse conhecida a vazão, já que normalmente é um dado calculado a partir das necessidades da instalação, ou das recomendações técnicas do projetista, deve-se determinar a seção mínima das conduções para que a perda de carga não exceda um limite razoável, pois de outra maneira obrigaria a utilizar um circulador com potência muito grande, com o conseqüente desperdício de energia.


Da mesma forma, se aceita que a velocidade máxima recomendada, com a qual os líquidos devem circular, seja de cerca de 1,3 m/s, se o fazem de maneira contínua, e de cerca de 2,5 m/s a intervalos, o que impõe também um limite mínimo aos diâmetros dos tubos. A perda de carga, de maneira geral, não deve superar os 40 mm c.a. por metro linear de tubo. Finalmente, no caso do líquido portador de calor não ser água, mas uma dissolução de etilenglicol ou propilenglicol, dever-se-á aplicar outro fator corretor para calcular as perdas de carga que, em uma primeira aproximação, suporemos igual à raiz quarta do quociente entre a viscosidade da dissolução e a da água à temperatura considerada. 4.3.2. BOMBAS DE CIRCULAÇÃO As bombas de circulação são aplicadas nos tipos dos sistemas forçados como meio para provocar a circulação do líquido do sistema solar. Sua localização será, sempre que possível, nas partes frias dos circuitos, para evitar deteriorações excessivas. Por exemplo, no circuito primário deve-se colocar após o intercambiador e antes do dispositivo de captação. Haverá que diferenciar as bombas segundo sejam do tipo calefação ou de água quente sanitária. Em circuitos fechados podem ser instalados de calefação, sendo obrigatório utilizar as de água quente sanitária quando se trabalhe em circuitos abertos para prevenir a formação de incrustações calcárias. Apesar desta diferenciação, sempre deverão cumprir uma série de requisitos, tais como:

- Terão de oferecer uma resistência à corrosão e à sujeira devido ao líquido que circula.

- Devem ser apropriadas para a pressão máxima do circuito. - Sua vazão e pressão de impulsão serão as adequadas para a

instalação. - o consumo e o rendimento energético serão proporcionados pelo

sistema de energia solar. - Terão de incorporar um sistema de autopurga ou de purga manual

do ar.

As características das bombas serão definidas no projeto da instalação ou, em todo caso, pelo fabricante do equipamento, e no mínimo deverão indicar:

- Tipo de fluidos a circular. - Pressão máxima do circuito. - Temperatura máxima de trabalho. - Vazão e pressão de impulsão previstas. - Potência absorvedora.


- Tipo e medida do acoplamento hidráulico da instalação: em linha, rotor, rosca ou flanges, etc.

4.3.3. DEPÓSITOS DE EXPANSÃO As instalações de energia solar térmica devem incluir uma série de elementos indispensáveis para o correto funcionamento e controle da instalação. Alguns deles são obrigatórios, já que se trata de elementos de segurança, e outros são colocados para obter um melhor rendimento e a manutenção da instalação. Para permitir a dilatação da água no circuito primário, deve-se colocar um vaso de expansão de uma capacidade suficiente. O vaso de expansão pode ser um depósito aberto colocado à máxima altura do circuito, ainda que se utilize mais freqüentemente um depósito fechado formado por duas partes separadas por uma membrana elástica. Em uma das referidas partes se confina um gás sob pressão, e na outra, fica um espaço livre que a água ocupará uma vez colocada no circuito. Quando a água aumentar de volume, a membrana cederá, comprimindo o gás. A necessária capacidade do vaso de expansão depende da capacidade total do circuito, da temperatura da água, e da pressão com a qual se trabalha.

Figura 4.10. Gráfico da dilatação da água.

As instalações em circuito aberto são equipadas com depósitos de expansão abertos. Estes vasos consistem em um depósito aberto, isto é, comunicado com a pressão atmosférica. No caso do depósito acumulador não ser fechado, este poderá exercer a função do vaso de expansão aberto. As instalações de energia térmica solar tendem a ser efetuadas em um circuito fechado, utilizando, portanto, vasos de expansão fechados, que apresentam vantagens em relação aos abertos: podem ser situados em qualquer lugar da instalação, não absorvem oxigênio do ar e, portanto, não aumentam a oxidação, e eliminam as perdas de líquido portador de calor por evaporação.


Figura 4.11. Depósito de expansão fechado.

4.3.3. VÁLVULAS Dentre os diferentes tipos de elementos que intervêm em um circuito, pode-se destacar as válvulas, como elementos de importância relevante. Toda a valvularia será específica para instalações de água quente ou de calefação, e terá as características próprias determinadas pelo projetista ou pelo responsável técnico na planta, recomendando:

- Temperaturas de trabalho superiores a 110ºC. - Pressão em circuito direto de 10 kg/cm2 e de 4 kg/cm2 em circuitos

fechados. - Válvulas de esfera por corte, esvaziamento,enchimento, purga,

isolamento... - Válvulas de assento para regulação e segurança. - Válvulas de retenção.

A missão destas válvulas pode ser definida em:

- Isolar uma parte do circuito (captador ou grupo, intercambiador, acumulador, bomba, etc.) por avaria ou substituição.

- Regular a vazão de cada captador ou grupo ou sistema, etc. - Regular a pressão no momento de encher o circuito (válvulas de

enchimento automático). - Evitar a circulação em um sentido não apropriado (válvulas de

retenção). Juntamente com as válvulas, intervêm também outros componentes na hora de controlar um circuito primário, segundo seja direto, aberto ou fechado. Para o aquecimento direto, serão os mesmos das instalações de aquecimento de água:

- Válvulas de segurança de 6 kg/cm2 em todo produtor de água quente, cada captador, grupo ou campo de captadores, acumulador, etc.

- Válvulas de corte de pressão nominal superior a 6 kg/cm2 na conexão convencional ao circuito de água fria e quente.


- Válvulas redutoras de pressão para adequar a pressão do fornecimento de água para a pressão admissível nos captadores e acumuladores do sistema de energia solar.

- Filtros para evitar a sujeira nos captadores e intercambiadores.

Para o aquecimento indireto, serão os comuns dos circuitos primários nas instalações de calefação e, além disso, se cumprirá:

- A capacidade do vaso de expansão será a apropriada para um salto

térmico mínimo de 100ºC, e suportará a pressão da válvula de segurança.

- As membranas e materiais serão empregados para uma temperatura máxima de 100ºC.

- Os purgadores automáticos serão instalados como mínimo em cada grupo de captadores, e admitirão uma temperatura de 100ºC e a pressão da válvula de segurança.

4.3.4.1. VÁLVULAS DE SEGURANÇA Estes tipos de válvulas limitam a pressão do circuito no qual vão ser instaladas. São reguladas para uma determinada pressão, e se o circuito a ultrapassa, se abrem para deixar escapar parte do líquido e assim manter a pressão preestabelecida. Esta pressão de referência deverá ser menor do que a máxima suportada pelo elemento mais frágil da instalação, normalmente não superior a 4 atmosferas no primário nem a 8 no secundário. Estas válvulas são de obrigatória aplicação em todas as instalações submetidas à pressão e variações de temperatura, segundo a norma atual. À saída destas válvulas de segurança, costuma-se colocar um funil de desague (dreno) que nos permite observar o momento no qual ao atuar a válvula há descarga de líquido. 4.3.4.2.VÁLVULAS ANTI-RETORNO Este tipo de válvula é colocado no circuito primário para impedir que a água circule em sentido contrário ao indicado, ou seja, que entre pela parte inferior dos coletores e saia pela parte superior. Este fato poderia provocar perdas térmicas e um mal funcionamento de alguns dos elementos que compõem a instalação.


Figura 4.12. Válvula anti-retorno de “Chocalho” O tipo de válvula anti-retorno utilizada em energia solar é a denominada de “Chocalho”, já que produzem pouca perda de carga. Ao circular, o fluido empurra uma comporta, que por sua posição, fecha-se imediatamente ao interromper a circulação. A válvula anti-retorno é geralmente colocada antes da entrada para os coletores. 4.3.4.3. VÁLVULAS DE PURGA Os purgadores têm como finalidade eliminar o ar existente dentro do circuito, tanto nas tubulações como nos coletores, etc., localizando-se nos pontos altos. Este ar tem como conseqüência a queda do rendimento podendo, inclusive, chegar a deixar a instalação inoperante. No traçado das tubulações deverão ser evitados os pontos altos onde o ar possa se acumular. Quando isto for inevitável, será recomendável colocar um purgador. Os purgadores poderão ser automáticos ou manuais. No primeiro caso, serão utilizados os de tipo flutuador, com corpo e tampa integralmente metálicos. Os manuais, além de um recipiente para a acumulação de ar, deverão ser providos de um purgador, análogo ao das instalações de radiadores, na parte superior. 4.3.4.4. DESAIREADOR Para assegurar que os gases dissolvidos no líquido sejam evacuados para o exterior pelo purgador, é conveniente colocar um elemento denominado desaireador. Coloca-se no ponto mais alto da instalação, à saída dos coletores.


Figura 4.13. Desaireador por absorção.

4.3.4.5. VÁLVULAS DE REGULAÇÃO DE VAZÃO Estas válvulas são colocadas à entrada dos coletores para variar a vazão que passa, distribuindo a que provém da tubulação geral de água fria. 4.3.4.6. VÁLVULAS TERMOSTÁTICAS Estas válvulas, não são mais que válvulas misturadoras. São compostas por uma espécie de êmbolo, manejável por sua parte superior, que permite regular a temperatura da água que entrará na rede de água quente da casa. Este pequeno elemento permite regulações da água entre 45 e 70ºC. Algumas destas válvulas vêm graduadas em temperaturas e outras possuem uma escala de níveis com números de 1 a 10. As válvulas termostáticas previnem consumos desnecessários de água enquanto se regula a temperatura para cada utilização. 4.3.4.7. VÁLVULA DE PASSAGEM São os elementos encarregados de interromper total ou parcialmente a passagem do fluido pelas tubulações. As válvulas de fechamento total são utilizadas para separar uma parte da instalação ou isolá-la do serviço, enquanto que as de fechamento parcial servem para produzir uma perda de carga adicional no circuito, com a intenção de regular a vazão ou equilibrar a instalação. A entrada e saída da válvula se denominam via, e o elemento que se interpõe na passagem do fluido, obturador. De acordo com o mostrado na figura 4.14, as válvulas contêm os seguintes elementos:

- Roda: É a parte da válvula que move o eixo para que se abra ou feche. Costumam ser de roda, alavanca, roquete, etc.


- Eixo: Formado por um espargo que faz descer ou subir o obturador mediante um mecanismo de parafuso ou rosca.

- Corpo da válvula: Constitui a parte exterior da válvula, e serve

como elemento de conexão com a tubulação. As conexões podem ser rosqueadas, flangeadas ou soldadas. Para diâmetros não superiores a 2 1/ 2", costumam ser rosqueadas e, para superiores, flangeadas.

- Tampa: Parte da válvula que fecha o corpo com o exterior,

deixando passar o espargo. - Reboque: Espaço que aloja a embalagem. Sua missão é fazer um

estancamento perfeito ao redor do reboque e do eixo, para evitar fugas de líquido.

Figura 4.14 Válvula de passagem.

Cada função específica dentro da instalação exige um determinado tipo de válvula, dentre os quais destacamos:

- Válvulas de assento: Neste tipo de válvulas, o elemento obturador é um

disco que pode adotar diferentes formas, fechando-se sobre um assento. Nestes dispositivos, o fluido muda de direção, vendo-se obrigado a passar entre o assento e o obturador, o que provoca importantes perdas de carga. São utilizados na regulação da vazão.

- Válvulas de comporta: Este tipo de válvula é utilizado como um órgão de

fechamento e nunca como um elemento de regulação do fluido portador de calor, já que poderia produzir vibrações na cunha.

O elemento obturador pode ser uma cunha com forma maciça, vazia,

flexível ou dupla.


Figura 4.15. Seção da válvula de comporta.

- Válvulas de mariposa: Neste tipo de válvula, o disco ou mariposa que faz às vezes de obturador gira com o eixo. Provocam pouca perda de carga.

- Válvulas de bola: Constam do mesmo mecanismo de fechamento

que as válvulas de esvaziamento, com a diferença de que o assento do corpo é uma junta de plástico, geralmente de teflon. Seu elemento obturador é uma bola de aço inoxidável. O orifício da bola tem o mesmo diâmetro que a tubulação na qual é colocada, com o que sua perda de carga é mínima quando estão abertas.

Figura 4.16 Válvula de bola.

Os materiais utilizados nas válvulas são de ferro fundido, aço, bronze e latão. Um fator importante a ter em conta na escolha de qualquer tipo de válvula é a pressão nominal ou pressão máxima à qual pode trabalhar de maneira contínua sem sofrer nenhum tipo de deterioração.


4.3.4.8. VÁLVULA DE ESVAZIAMENTO Em algumas ocasiões, para operações de manutenção ou reposição de algum elemento estragado da instalação, é necessário esvaziar o circuito, seja o primário ou o secundário. Para consegui-lo com rapidez e comodidade, é preciso colocar na parte inferior dos circuitos uma chave de passagem conhecida com o nome de válvula de esvaziamento. Este tipo de válvulas apresenta uma grande estanquidade ao fluxo. Seu elemento obturador é um cilindro ou cone maciço provido de uma perfuração através da qual passa o fluido. Com um giro de 90º se produz o fechamento total da válvula. Para evitar sua abertura acidental, habitualmente se troca o volante por um parafuso quadrado, de maneira que seja necessário utilizar uma chave adequada, inglesa ou alicates, para abri-la ou fechá-la.

Figura 4.17. Seção de uma válvula de esvaziamento.

4.3.4.9. VÁLVULAS DE 3 E 4 VIAS O desenho de uma instalação pode tornar necessária a circulação de fluidos por vias alternativas. Para consegui-lo de maneira automática, são utilizadas as denominadas válvulas de 3 e 4 vias. Nas instalações que nos ocupam, este tipo de válvulas é colocado quase sempre automatizada, de maneira que um sinal elétrico, geralmente procedente de um termostato, ativa o servomotor, abrindo e fechando as vias correspondentes. É praticamente obrigatório o uso de uma válvula de três vias para conseguir um ótimo funcionamento nas instalações de A.Q.S. com interacumulador.


4.3.5. ISOLAMENTO Com o objetivo de eliminar as perdas de energia no sistema de captação solar, há que colocar isolamentos adequados em todos os componentes do sistema. Como instalação de características especiais, os materiais terão:

- Um coeficiente de condutividade térmica máximo de 0,040 kcal/m·h ºC. - Uma resistência à temperatura compreendida entre -35 e 130ºC. - A capacidade de permitir a dilatação das tubulações. - A característica de evitar as pontes térmicas com as fixações.

Para os isolamentos no exterior:

- Celas fechadas, pouca absorção de água e resistência à umidade. - Inalterabilidade aos agentes atmosféricos e ausência de formação de

fungos. - Resistência à radiação solar, do mesmo material isolante ou com um

recobrimento adequado. - Uma perfeita vedação das passagens para o exterior.

O isolamento de todo o circuito primário não deve permitir perdas superiores a 5% da energia captada. Da mesma forma, serão convenientemente isolados todos os elementos do circuito. As características mínimas que devem ser especificadas são:

- Coeficiente de condutividade térmica. - Margem de temperaturas admissíveis. - Coeficiente de absorção de água. - Espessura. - Características e sistema de cobertura para proteção no exterior.

Os principais isolamentos para condutos de água quente a baixa temperatura são:

- A espuma elastomérica. - A fibra de vidro.


Com respeito ao dimensionamento da espessura do isolante necessário, o problema volta a ser econômico: para maior espessura, melhor isolante e maior custo; não obstante, aplicando a legislação atual se obtém, para materiais com um coeficiente de condutividade de 0,040 W/mºC, a tabela de espessuras 4.3, para condutos que passam por locais interiores, aos quais somaremos 10 mm em caso de intempérie. Tabela 4.3Espessuras de isolante em locais interiores para um coeficiente de

condutividade de 0,040 W/m ºC. Diâmetro da tubulação (mm)

Espessura do isolamento (mm)

Nominal

aço Exterior cobre

= 0,04 (W/m2 . ºC)

= 0,04 (W/m2.ºC)

D < 32 D < 36 20 500 32 < D < 50 36 < D < 50 20 500 50 < D < 80 50 < D < 80 30 750 80 < D < 125 80 < D <1 25 30 750

125 < D 125 < D 40 1000

4.3.6. CONTROLE A sofisticação dos distintos sistemas de controle e gestão das instalações solares térmicas é muito variável. Os mais simples são providos unicamente de uma sonda termométrica no acumulador, que ativa ou desativa o fornecimento energético de apoio, em função da temperatura. Os equipamentos mais complexos contam com sondas termométricas em vários pontos do circuito, com controles automatizados e informação do estado geral das instalações, para fazer funcionar as distintas bombas e válvulas existentes, tendo, além disso, a possibilidade de gerenciar a instalação a distância ou de fornecer informação sobre a situação dos distintos elementos em estações afastadas. Em princípio, é recomendável que os equipamentos de controle sejam os mais simples possíveis, sempre contando com um grau de automatização suficiente para evitar a supervisão constante por parte do usuário. A presença de uma ou várias sondas no acumulador permite conhecer a temperatura e a quantidade de água existente. Outro controle importante é uma sonda para conhecer a temperatura do fluido à saída dos coletores, que associado a outro sensor da temperatura no acumulador, pode pôr em funcionamento ou não as bombas. Existem também sistemas de controle capazes de analisar distintas situações relativas à instalação, tais como sondas de pressão, sistemas de prevenção de superaquecimento, alarmes por mal funcionamento, etc. 4.3.7. APOIO ENERGÉTICO Para prevenir as possíveis faltas derivadas da ausência de insolação, quase a totalidade dos sistemas de energia solar térmica contam com um apoio


baseado em energias convencionais. A forma deste apoio é muito variável, ainda que em geral seja recomendável que se encontre vinculado por meio de um sistema de controle à instalação solar.

Alguns sistemas de apoio são:

- Elétricos: Sobretudo para equipamentos pequenos, nos quais a

energia é fornecida dentro do acumulador por meio de uma resistência.

- Caldeiras de gás ou gasóleo: Este tipo de apoios, segundo o

projeto da instalação, pode provir das instalações preexistentes ou também ser realizado de modo simultâneo à instalação solar. Em todo caso, e dependendo das demandas a satisfazer, é possível empregar sistemas de aquecimento instantâneo ou providos de acumulador independente ou outros intermediários.

4.3.8. OUTROS ELEMENTOS 4.3.8.1.TERMÔMETROS E TERMOSTATOS Tanto para conhecer o funcionamento real de nossa instalação, isto é, se cumpre ou não com aquilo especificado, quanto para facilitar sua regulação, é necessário conhecer a temperatura da água que circula. Para esta função, conta-se com a ajuda dos termômetros. Os tipos mais utilizados que podem ser encontrados no mercado sãos os de contato e os de imersão; os primeiros são muito mais simples de colocar, no entanto, os últimos, são mais precisos. O termômetro de contato é montado sobre uma braçadeira fixada na tubulação por onde circula a água quente. Este fato faz com que a união térmica não seja muito boa e que inclusive seja afetado por fluxos de ar, motivo pelo qual se recomenda localizá-los em interiores ou zonas protegidas. Por outro lado, os termômetros de imersão são introduzidos no fluido através de uma bainha. Ao aumentar o contato, também melhora a medição. É ideal para depósitos, mas por outro lado, requerem um mínimo de espaço devido ao comprimento da bainha, ou seja, 5 ou 10 cm. Além disso, significa um aumento das perdas de carga, já que é interposto na passagem do fluido. De natureza similar aos termômetros, os termostatos não somente medem a temperatura, mas também atuam em conseqüência. A correta regulação da temperatura dos fluidos, a partida de elementos da instalação, e inclusive sua segurança, depende dos sinais enviados por estes aparelhos. Da mesma maneira que os termômetros, os termostatos podem ser de contato ou de imersão; todos eles transformam a medida da temperatura em um sinal elétrico, dependendo do modelo, que liga ou desliga um determinado elemento em função da conexão que se tenha realizado. Uma sofisticação a mais é a que nos leva aos termostatos diferenciais, que basicamente funcionam medindo temperaturas em dois pontos diferentes da


instalação (saída de coletores e acumuladores, por exemplo), comparando-as continuamente e enviando um sinal ou outro em função da que seja superior. Através destes termostatos podemos controlar a bomba do primário para que apenas atue quando realmente o Sol forneça energia suficiente aos coletores, evitando assim, as perdas de calor quando a bomba funcionar sem fornecimento solar. Os termostatos para uso solar costumam visualizar as diferentes temperaturas de forma digital e permitem regular a margem de funcionamento para adequá-lo às condições de cada instalação. 4.3.8.2. TERMOSTATOS DIFERENCIAIS O eletrocirculador deve apenas atuar quando os coletores puderem fornecer ao acumulador um ganho útil, e se deter quando não houver captação, ou seja tão fraca que não produza ganhos líquidos, ou inclusive quando venha a se produzir uma perda. Isto é obtido com o denominado termostato diferencial (T.D.) e com as sondas de temperatura das quais é composto. O mecanismo de controle é o seguinte: Uma das sondas, que não é mais que um termistor, isto é, um mecanismo que envia um sinal elétrico que varia com a temperatura, é colocado na saída do coletor de placa plana (c.p.p.), na parte alta, e conectada ao T.D. (figura 4.19). A outra sonda ou termistor, que também é conectada ao T.D., é colocada na parte inferior do acumulador. Uma última conexão é estabelecida entre o T.D. e a bomba de circulação. Um detalhe importante é que a fiação que une os diferentes elementos não tenha emendas, ou seja, que as conexões sejam feitas com solda de estanho para que o contato elétrico seja perfeito. As sondas podem ser de imersão e de contato. As primeiras são introduzidas no coletor ou no acumulador com a ajuda de uma bainha, e as outras são sujeitas a um estreito contato com a parte exterior de ambos os elementos. As de imersão são preferíveis, já que são mais precisas e seguras. A missão do T.D. é comparar as temperaturas à saída do c.p.p. e do acumulador, de maneira que quando há uma diferença entre elas to, favorável aos coletores, o eletrocirculador é ligado, iniciando o processo de acumulação de energia. Os T.D. de qualidade que atualmente são encontrados no mercado permitem selecionar o tº desejado, que oscila geralmente dos 3ºC aos 20ºC.


Figura 4.18. O termostato diferencial.

4.3.8.3 MANÔMETROS São aparelhos que servem para conhecer o valor da pressão no interior de um conduto ou depósito. O manômetro mede a pressão geralmente em kg/ cm2.

Figura 4.19. Manômetro.


5. – Otimização e aproveitamento da captação

térmica solar

5.1. PRIMEIRO PRINCÍPIO: MAXIMIZAR A CAPTAÇÃO DA ENERGIA SOLAR

Alguns projetistas pensam erroneamente que se a superfície coletora estiver bem dimensionada e que se a inclinação for a adequada, se cumprirá automaticamente o princípio de máxima captação da energia solar. Evidentemente, será necessário dispor do número suficiente de coletores para poder captar a energia necessária e, ao mesmo tempo, deveremos escolher a inclinação ideal para aproveitar a máxima quantidade de energia solar disponível em cada mês; no entanto, é necessário regular a captação desta energia para que realmente se converta em energia útil. Por isso, é necessário medir e comparar permanentemente os níveis de temperatura nos coletores e no acumulador, dispondo dos mecanismos automáticos necessários para que no circuito primário se estabeleça ou não a circulação do fluido, em função de que o momento seja ou não favorável para conseguir um incremento líquido de energia útil acumulada. O conceito de regulação diferencial é, pois absolutamente indispensável, havendo excluído sistemas que somente dispõem de um simples termostato que prefixa uma determinada temperatura no coletor ou no armazenamento, utilizando-a como um único parâmetro para determinar ou não o funcionamento da bomba de circulação. 5.2. SEGUNDO PRINCÍPIO: PRIORIZAR O CONSUMO DE ENERGIA SOLAR

Dado que a energia solar é gratuita e a auxiliar (convencional) não o é, seria ideal que o consumo se nutrisse exclusivamente da primeira, e unicamente nos casos em que esta estivesse completamente esgotada, se recorreria à energia de suporte. Evidentemente, esta ideal situação não pode ser obtida na prática, pois os períodos de consumo deveriam se sujeitar aos de captação, o que não é viável. Em todo caso, o projeto do sistema de armazenamento deve ser tal que favoreça o uso prioritário da energia solar frente à auxiliar, e nunca ao contrário. Este objetivo é mais difícil de alcançar no caso de um único acumulador. Quando exista, como é freqüente, uma resistência elétrica controlada por um termostato que faça sua função quando a temperatura da água acumulada seja


inferior a certo valor, deveremos graduá-lo para a temperatura mais baixa possível compatível com o consumo, na intenção de nos assegurar que a energia de suporte somente entrará em ação apenas quando faltar energia solar acumulada. 5.3. TERCEIRO PRINCÍPIO: GARANTIR A COMPLEMENTARIDADE ENTRE

A ENERGIA SOLAR E AS FONTES CONVENCIONAIS Esta terceira regra é conseqüência direta da segunda e, em menor grau, também da primeira. No caso particular da produção de A.Q.S., o primeiro e o segundo princípio conduzem ao preaquecimento de toda a água que será posteriormente consumida. O nível de temperatura alcançado é com freqüência inferior ao desejado. A complementaridade ideal consistiria em alcançar tal nível, para posteriormente acrescentar a quantidade de energia auxiliar estritamente necessária, para conseguir a temperatura ideal aceitável pelo uso. Na realização prática do exposto anteriormente podem ser apresentados dois casos: produção instantânea da energia de suporte e produção de energia de suporte em um acumulador independente. 5.3.1. PRODUÇÃO INSTANTÂNEA DA ENERGIA DE SUPORTE Por definição, neste sistema de produção, o gerador de energia de suporte deve fornecer a potência necessária, variável em função da temperatura obtida no preaquecimento solar. Neste caso, deve-se situar o gerador instantâneo de energia de suporte à saída do acumulador solar, tal e como mostrado na figura 5.1. Este sistema é muito prático e recomendável para moradias no caso de serem utilizados aquecedores instantâneos de gás de tipo doméstico, mas sob uma condição - e isto é muito importante - que a chama de gás (e, portanto sua potência) seja regulada automaticamente em função da temperatura, pois se for utilizada em caldeiras de gás corrente, de chama constante, e se ocorrer a situação da temperatura de entrada da água aquecida pelo equipamento solar for já bastante alta, pode originar uma temperatura de saída excessiva, com perigo inclusive de ebulição. Atualmente, existe no mercado caldeiras instantâneas que regulam de maneira automática a potência fornecida em função da temperatura da água, proporcionando a esta uma temperatura final constante predeterminada. São mais caras que as correntes, mas sua utilização em sistemas de energia solar é muito vantajosa.


Figura 5.1. Esquema de um sistema com energia de suporte.

5.3.2. PRODUÇÃO DE ENERGIA DE SUPORTE EM UM ACUMULADOR INDEPENDENTE

Este acumulador, geralmente bem menor que o principal, serás situado entre este e os pontos de consumo, com a temperatura de armazenamento da água superior à própria temperatura de uso, para poder misturá-la com a procedente diretamente do grupo solar (em geral, mais fria), obtendo a desejada temperatura final de uso. Utiliza-se uma válvula termostática, que se encarrega automaticamente de misturar a água solar pré-aquecida com a do acumulador auxiliar.

Figura 5.2. Esquema com energia de suporte I.


Figura 5.3. Esquema com energia de suporte II. 5.4. QUARTO PRINCÍPIO: NÃO MISTURAR A ENERGIA DE PROCEDÊNCIA

SOLAR COM A CONVENCIONAL Se os três princípios são totalmente respeitados, então é quase sempre possível cumprir também o quarto. Por não misturar ambas as energias, entende-se evitar juntar, ou fazê-lo o menos possível, a água pré-aquecida pelos coletores com aquela aquecida através da energia auxiliar. É evidente que um acumulador único que armazene a energia solar e a de suporte em um mesmo volume tem um alto risco de mistura. É conveniente ao menos ter presentes as precauções representadas na figura 5.4, apesar da solução não proporcionar resultados perfeitos.

Figura 5.4. Separação entre acumuladores.


Além da coexistência funcional entre os armazenamentos solares e convencionais, existem outros fatores capazes de destruir a separação térmica em um sistema, como:

- Os efeitos parasitas por termosifão. Podem provocar a comunicação entre os acumuladores solar e de suporte, levando a água mais quente deste último para o primeiro. Este defeito é difícil de detectar. Para evitá-lo, pode-se dispor de válvulas anti-retorno, ou colocar o acumulador de suporte a um nível superior ao solar.

- Os circuitos de recirculação. A recirculação consiste, como já afirmado,

em fazer circular constantemente por uma tubulação, denominada de retorno, a A.Q.S. do ponto de serviço mais afastado até o tanque de armazenamento e vice-versa, com o objetivo de manter sempre quente a água da tubulação de distribuição, de maneira que ao abrir uma torneira se possa obter instantaneamente a água à temperatura adequada, sem ter que esperar para que chegue do acumulador, deslocando a água contida na tubulação até a torneira.

Esta disposição, que é quase obrigatória nas grandes instalações nas

quais há muito percurso da água no secundário, pode provocar a destruição do equilíbrio térmico solar se não for adequadamente projetada (trajetória 1 da figura 5.5).

Figura 5.5. Disposição com circuito de retorno.

- Os diversos erros no projeto da regulação. Na figura 5.6 pode-se observar um projeto completamente errôneo, que conduz a um mal comportamento da regulação, com aumento da temperatura de todo o sistema, incluída nos coletores e durante a noite.


Figura 5.6. Projeto errôneo da regulação. 5.5. CONCLUSÕES O respeito aos quatro princípios anteriores se refletirá num bom funcionamento da instalação e num alto rendimento, apesar de que às vezes seja recomendável ignorar algum destes princípios para baratear os custos, por exemplo, em instalações pequenas, como no caso das moradias unifamiliares. O sistema de distribuição da água quente sanitária condicionará o resultado final de economia e conforto. Independentemente de cumprir a regulamentação vigente, recomenda-se:

- Evitar as recirculações. - Aproximar ao máximo a acumulação dos lugares de consumo. - Diminuir a capacidade dos tubos de distribuição. - Regular ao mínimo a temperatura de distribuição desde o início. - Com recirculação, assegurar o isolamento das tubulações.

Em coletividades de moradias, é preferível não centralizar os sistemas de acumulação e de suporte, com o fim de melhorar o rendimento energético e as condições de conforto do sistema de água quente.


6. – água quente sanitária É fundamental, antes de proceder ao início de um projeto, conhecer as necessidades energéticas do mesmo, em função dos consumos previstos. Deve-se ter em conta que, para igualdade de consumo, a acumulação pode ser diferente segundo a distribuição do mesmo, e a distribuição pode afetar o desenho da instalação. 6.1. ESTUDO DAS NECESSIDADES A COBRIR. FOLHA DE CARGA Neste sentido, na hora de definir as necessidades a cobrir, há que fazer um prévio balanço energético, definindo as aplicações, os níveis de temperatura a alcançar, e a quantidade e fonte de energia previsíveis. Para calcular o nível de cobertura solar, será necessário definir os dados climatológicos e de radiação solar de partida, normalmente os locais ou do lugar mais próximo ou equivalentes. Há que descrever e justificar o sistema de cálculo utilizado, pois dará viabilidade aos resultados e segurança ao cliente/usuário. O nível de cobertura solar mais alto nem sempre é o mais conveniente nem o mais rentável. O nível de cobertura ideal dependerá das aplicações, do tipo de energia a substituir, da regularidade do consumo, etc. O cliente/usuário há de ter a informação clara do que representa o nível de cobertura, já que não se trata de alcançar algumas temperaturas ou uma autonomia completa sem outras formas de energia, mas uma quantidade de energia expressada em porcentagem das necessidades a cobrir. Antes de tomar uma decisão, há que ter em conta o âmbito de aplicação da energia solar de baixa temperatura, que basicamente se divide em: A. Produção de água quente de uso sanitário em:

- Setor residencial, moradias individuais e coletividades. - Setor sanitário, hospitais e residências, etc. - Setor turístico, restaurantes, hotéis, campings, etc. - Instalações esportivas, poliesportivas, piscinas, campos de

esporte, ginásios, etc. B. Produção de água quente de uso sanitário em geral. Há, ainda, outra possível aplicação, mas, até agora, ao efetuar uma instalação solar para este uso, pode-se considerá-la como um caso excepcional. C. Calefação a baixa temperatura com líquido térmico em:

- Sistemas de solo radiante. - Sistemas de aeroconvectores.


- Sistemas de radiadores. - Sistemas com intercâmbio líquido-líquido (piscinas, etc.).

Assim, pois, de acordo com a classificação anterior, se deverá diferenciar entre se se trata de necessidades de água quente ou de necessidades de calefação. 6.1.1. NECESSIDADES DE ÁGUA QUENTE As necessidades de água quente serão determinadas tendo em conta os seguintes critérios por ordem de importância:

- Temperatura média mensal da água fria. - Temperatura de uso. - Consumo médio diário a esta temperatura. - Variações mensais de consumo. - Outras variações de consumo, variações horárias, semanais ou de

temporada. O cálculo de necessidades será realizado no mínimo por períodos mensais e anuais. Desta maneira, os resultados serão apresentados em forma de tabela de consumos de A.Q.S. para os respectivos períodos. Contudo, em casos excepcionais, os consumos típicos de água quente sanitária se adaptam a algumas medidas mais ou menos aceitas na prática diária. No consumo doméstico costuma-se considerar um nível que oscila entre os 35 e 60 litros de água quente a 40ºC por pessoa e por dia, dependendo dos hábitos. A temperatura de consumo costuma ser de 40ºC, ainda que no acumulador, a água possa estar acima deste valor, chegando inclusive aos 60-65ºC em dias de forte insolação, o que obriga a misturá-la com água fria. Sempre se deve ter em conta que para maior temperatura de acumulação, maiores são as perdas térmicas. Uma das causas do pouco aproveitamento de água quente é o tempo que o usuário leva para conseguir a temperatura desejada, misturando água fria e quente, aproximadamente 2 e 7 litros. Com o objetivo de minimizar esta quantidade de água quente, desperdiçada inutilmente, é aconselhável utilizar misturadores termostáticos. A tabela 6.1 proporciona os consumos orientativos para cada utilização. Tabela 6.1. Consumos aproximados de A.Q.S. para diferentes utilizações cotidianas Lavadora 20 a 40 litros Lava-louças 20 a 40 litros Lavar as mãos 2 a 4 litros Ducha 30 a 40 litros Bidê 5 a 7 litros Banheira 80 a 120 litros


Por nossos cálculos, sempre aproximados, utilizaremos uma regra de cálculo muito utilizada em função dos hábitos do cidadão médio de nossa sociedade: a de determinar um consumo aproximado de 50 litros por pessoa e por dia. A quantidade de energia média mensal que necessitaremos captar para produzir a água quente que temos previsto consumir, a calcularemos aplicando a seguinte fórmula:

Qa = 4187.C.(tac – tr).n em que: Qa = energia calorífica média mensal (J/mês). C = consumo de A.Q.S. para o dia médio do mês em consideração (kg/ dia). tac =temperatura escolhida para a A.Q.S. de consumo. tr =temperatura da água fria para o dia médio de cada mês. N = nº de dias do mês em consideração. Para conhecer a temperatura da água da rede pode-se optar por medi-la diretamente, ou ainda por buscar o valor correspondente à nossa localidade em tabelas; não obstante, este valor varia muito em função da altitude do lugar e da estrutura municipal da rede. Aproximadamente, esta temperatura costuma ser, segundo nossos cálculos, de 8-10ºC no inverno e de 14-16ºC no verão. 6.1.2. NECESSIDADES DE CALEFAÇÃO Serão detalhados os tipos de calefação que se preveja alimentar com energia solar, tendo especial cuidado em determinar as temperaturas de trabalho nominais. Para o cálculo das necessidades, deverão ser considerados os seguintes dados:

- Sistema de calefação e temperaturas nominais de trabalho. - Graus dia de calefação (caso se trate de calefação de locais). - Demanda térmica necessária.

As necessidades de calefação deverão ser apresentadas em forma de tabela mensal e anual, com o fim de estabelecer, juntamente com a demanda de A.Q.S., as necessidades totais para os respectivos períodos de tempo. 6.2. ESCOLHA DO SISTEMA Assim que se tenha definido as aplicações, quantificado as necessidades a cobrir, e a fonte de energia de suporte convencional ou não, deve-se escolher o tipo e selecionar o sistema da instalação. Neste sentido, influem variáveis tanto de ordem técnica como econômica


As limitações econômicas são as mais influentes na hora de desenhar uma instalação, já que estas são projetadass para conseguir uma rentabilidade.

O sistema é o conjunto de aparelhos e instalações que determinarão a maneira de captar, transportar e armazenar a energia solar para sua utilização. É condicionado principalmente pelos seguintes fatores:

- Características próprias do lugar. - A aplicação para a qual é destinada. - Dimensão da instalação. - O lugar de colocação do campo e dos elementos da instalação. - A possibilidade de geadas.

SISTEMAS DE PRODUÇÃO DE A.Q.S. As instalações para a produção de água quente sanitária, em geral, podem ser classificadas em:

- Circuito aberto ou direto. - Circuito fechado ou indireto.

No caso da circulação aberta, a água que circula pelos coletores é utilizada diretamente para o consumo. Não dispõe de intercambiador e seu uso é condicionado fundamentalmente pela qualidade da água e pelo tipo de coletor. Em qualquer caso, é conveniente que se incorpore um equipamento de tratamento da água. Por estes motivos, não se costuma utilizar exceto por alguns fabricantes muito específicos e em lugares muito localizados. Este sistema geralmente são aplicados naquelas zonas onde as geadas não são esperadas, e quando estas se produzem, o problema é resolvido esvaziando a instalação. Neste sistema é muito importante que a distância entre a produção e o ponto de consumo seja mínima, motivo pelo qual é habitual no caso das moradias. O diâmetro das tubulações determinará um tempo de espera antes da A.Q.S. chegar ao ponto de consumo, o que incide diretamente tanto no conforto como na economia energética e de água. Outra classificação das instalações de água quente sanitária se baseia na distinção do circuito por termosifão e pela circulação forçada. 6.3.1. CIRCUITO POR TERMOSIFÃO Fundamenta-se no aproveitamento das correntes de convecção. Efetivamente, a água, ao aquecer-se, possui uma densidade menor, motivo pelo qual se produz uma estratificação de acordo com os níveis de temperatura. Portanto, nestes casos, o depósito de acumulação deve estar situado a uma cota mais alta que os coletores.


Este circuito possui a grande vantagem de sua simplicidade, pois não dispõe de bomba de circulação nem de regulação correspondente. É comercializado em equipamentos compactos, incluindo o sistema coletor, de armazenamento, de segurança, de expansão, etc., em um só módulo. Assim, sua instalação é muito mais simples e econômica do que uma instalação forçada, expressamente desenhada em todos os seus elementos, tornando-se muito confiável em seu funcionamento.

Figura 6.1. Aquecedores de água por termosifão. Utiliza-se fundamentalmente para cobrir pequenas demandas de usuários domésticos individuais, já que para estes casos torna-se mais econômico. Podem trabalhar tanto em circuito fechado quanto em circuito aberto. 6.3.2. CIRCULAÇÃO FORÇADA Para aquelas instalações de uma certa importância, é necessário recorrer a uma solução de circulação forçada e de circuito fechado.


Figura 6.2. Esquema de instalação com circulação forçada. O princípio básico que a define é a circulação do líquido térmico pelo captador solar através de uma bomba circuladora com a correspondente regulação. A regulação deste sistema se baseará sempre na aplicação do termostato diferencial, ou funcionamento diferencial de temperaturas. A figura 6.3 ilustra um exemplo desta disposição, juntamente com os elementos necessários mais importantes.


Figura 6.3. Elementos necessários de uma instalação de A.Q.S. por circulação

forçada.

6.3.3. CIRCULAÇÃO DO FLUIDO PORTADOR DE CALOR PRIMÁRIO POR ELETROCIRCULADOR

O eletrocirculador normalmente vem limitado ao circuito primário, sem se apresentar nenhum tipo de problema em geral, sobretudo em instalações pequenas. Não se deve superdimensionar a potência elétrica do mesmo, com o fim de não produzir um consumo desnecessário. A vazão estará normalmente compreendida entre 50 e 75 litros/hora por cada m2 de superfície coletora.


Em geral, o uso de um eletrocirculador no primário é imprescindível quando o intercambiador, interior ou exterior ao acumulador, se encontre a um nível inferior ao dos coletores. Não há que esquecer a necessidade de instalar também uma válvula anti-retorno para evitar o efeito termosifônico noturno, da qual nos asseguraremos com relação à sua estanquidade. Se a válvula anti-retorno for de mola, deve-se ter em conta a perda de carga suplementar que este dispositivo produz na hora de dimensionar o eletrocirculador.

6.4. TRANSMISSÃO DE CALOR POR MEIO DE UM INTERCAMBIADOR EXTERIOR

Neste caso, a instalação possui dois circuitos totalmente independentes (primário e secundário) que confluem no intercambiador, o qual pode ser de placas ou de tubos. Teoricamente é possível que, ainda que se utilize um intercambiador exterior, a circulação no primário pode ser termosifônica, ainda que o mais normal é que seja acelerada por uma bomba de circulação, já que para que o intercambiador seja eficaz, requer uma vazão de circulação mínima que dificilmente seria possível conseguir pelo simples efeito termosifão. O conjunto do circuito primário deve ser capaz de resistir à pressão máxima de rede, por si no caso de uma avaria no intercambiador, se estabelecesse uma comunicação entre o circuito secundário (a pressão de rede) e o primário ou, em todo caso, dispor de uma válvula de segurança regulada a uma pressão inferior à que o circuito primário pudesse suportar. 6.5. ENERGIA DE APOIO DE A.Q.S. Entende-se por energia de suporte, a fonte energética que complementa a energia solar para cobrir as necessidades. Nos sistemas de calefação pode-se aplicar como critério geral:

- Utilizar emissores de calefação diferentes para a energia solar ou de suporte. - Aquecer com a energia solar o retorno dos emissores do sistema de calefação.

Em todos os casos, a regulação será muito importante para obter o máximo rendimento da instalação. O sistema de suporte é condicionado pelo tipo de energia a empregar. Os critérios para escolher a energia de suporte são:

- Facilidade de acesso à fonte energética. - Custos da instalação.


- Segurança no fornecimento. - Custo da energia. - Efeitos sobre o meio ambiente. - Segurança. - A facilidade de acoplamento ao sistema de energia solar.

A integração da energia de suporte na mesma acumulação solar como critério geral, não é recomendável, já que pode comportar problemas. Quando a instalação solar é simples, como podem ser os sistemas acumuladores-captadores e os de termosifão, a aplicação da energia elétrica diretamente à acumulação se justifica pela facilidade construtiva e por seu baixo custo; porém deve-se controlar seu funcionamento. Somente poderá ser aplicado para pequenas instalações domésticas. Não se deverá implantar este sistema para acumulações superiores a 1000 litros. A aplicação de outras fontes de energia à mesma acumulação solar pode se tornar complexa e deve ficar a critério do perito, do técnico competente, ou ser efetuada com equipamentos devidamente comprovados e garantidos pelo próprio fabricante. Quando o sistema de suporte é separado da acumulação solar, sua conexão será feita de acordo com o tipo de energia e com as características da demanda. Para a produção de A.Q.S., o fornecimento de energia de suporte será feito sempre em série e posteriormente ao sistema de energia solar, com os mesmos critérios utilizados para as energias convencionais (tendo em conta a possibilidade de que a água chegue quente). No caso de utilizar os sistemas de calefação instantâneos, devem possuir uma regulação da temperatura final da água. 6.6. EXECUÇÃO E MANUTENÇÃO DE UMA INSTALAÇÃO DE A.Q.S. 6.6.1. PROCESSO PRÉVIO AO INÍCIO DA INSTALAÇÃO Toda instalação de energia solar parte de um desenho que deve ser realizado por uma pessoa tecnicamente qualificada. A partir dos 250 m2 de superfície de captação, o projeto deverá estar devidamente legalizado, ou incluído no projeto de instalações térmicas do edifício. Estes critérios serão de aplicação a todos os projetos com o fim de garantir um nível de qualidade mínimo consensual. Para todo projeto de uma instalação, há uma série de passos prévios a seguir:

- Tomada de dados da instalação. Deve permitir o primeiro dimensionamento da instalação para apresentar uma proposta de viabilidade ao usuário ou promotor.


- Cálculo das necessidades. Será realizado a partir dos dados obtidos, e de sua comparação com os extraídos de experiências anteriores. - Dimensionamento dos elementos principais: captação e acumulação. Para o qual há que seguir os critérios expostos. - Seleção de apoio, de utilização e localização das instalações. De acordo com os próprios critérios do usuário e com os expostos. - Planos e esquemas. Os planos permitirão quantificar os componentes comuns e a previsão de localização dos coletores, do acumulador, do equipamento de intercâmbio e do sistema circulatório, de regulação, etc,. A partir dos planos são condicionados os esquemas, as acumulações e as soluções técnicas mais apropriadas. - Dimensionamento de toda a instalação. Será apenas possível quando esteja tecnicamente resolvido. A seleção dos componentes com as soluções adotadas, configurarão a instalação e sua qualidade, condicionando seu funcionamento, o rendimento energético e a vida da mesma. - Pressupostos. Representam o final do projeto e condicionam as possibilidades de sua realização. Devem relacionar todos os aparelhos, equipamentos e materiais incluidos na instalação, indicando as características próprias de cada um deles, o preço unitário e a quantidade. Devem especificar a inclusão ou não da montagem, do transporte e de outros gastos. Ao pressuposto da instalação, há que adjuntar outros documentos referentes à manutenção, garantias, acompanhamento, etc., com o fim de oferecer as máximas opções de segurança e de garantias ao cliente/ usuário. - Otimização do sistema solar. Para determinar o dimensionamento ideal da instalação de energia solar, é necessário estabelecer as relações entre qualidade, preço e prestações.

Uma vez superados todos os pontos anteriores, se passará para a definição do contrato. Desta maneira, com a aprovação do pressuposto, serão concretizadas as seguintes condições:

- Forma de pagamento. - Garantias dos equipamentos e da instalação. - Calendário de fornecimento, obras, instalação e ínicio de funcionamento. - Plano de manutenção obrigatório e incluído nas garantias. - Proposta de plano de manutenção geral das instalações. - Contratos de manutenção acordados. - Responsabilidade técnica. - Legislações utilizadas.


- Sistemas de controle, acompanhamento, garantias de resultados, etc. O profissional tem o dever de informar ao cliente/usuário das possíveis ajudas e subvenções às quais pode ter acesso, a forma de sua obtenção, assim como facilitar a tramitação. Previamente ao cálculo da instalação, é conveniente realizar uma análise econômica que, em função da extensão da instalação, deve ter em conta os seguintes conceitos: - Descrição dos custos de instalação, ajudas, estudos financeiros, etc. - Subvenções e ajudas financeiras. - Economia prevista. - Custo previsível da manutenção. - Custe previsível da energia obtida. - Tempo de retorno do capital. - Vida da instalação. - Rentabilidade da inversão. - Vantagens e benefícios do bem-estar e ambientais. 6.6.2. PROVISÃO DE MATERIAL Na seleção dos equipamentos, serão tomados os seguintes critérios básicos:

- Os equipamentos devem estar preparados e/ou protegidos exteriormente para este uso. - Devem admitir temperaturas de trabalho mais altas que as habituais em sistemas convencionais de calefação e de A.Q.S. - Os elementos de segurança devem estar previstos para estas diferenças de temperatura. - Os materiais construtivos, tubulações, acumuladores, conexões, isolamentos, juntas, etc., devem admitir dilatações e temperaturas com muitos ciclos e variações rápidas.

Há que fornecer a máxima informação de cada tipo de equipamento utilizado, com o fim de facilitar a manutenção, a localização de funcionamentos deficientes e sua possível substituição durante a vida da instalação. Neste sentido, há que ter em conta que as avarias e deficiências de qualquer equipamento, aparentemente normais em sistemas totalmente convencionais, são somadas e imputadas à energia solar nas instalações onde se incorpora este tipo de energia: por isso, deve-se ter especial cuidado nesta seleção. Os captadores devem ser homologados, assim como os acumuladores, que devem cumprir a regulamentação de aparelhos à pressão com seu correspondente registro de fabricação.


6.6.3. FASES DO PROCESSO DE MONTAGEM Uma vez aceita a obra, deverão ser confirmadas sobre o terreno as características definitivas da instalação, utilizando as especificações do projeto; toda modificação deverá ser justificada e feita sob consenso para evitar precipitações. 6.6.3.1. LOCALIZAÇÃO NA OBRA Procede-se para colocar na obra cada elemento do qual consta a instalação, tendo em conta:

- A proximidade ao restante de componentes aos quais deve ser conectado. - A utilização do espaço justo e necessário sem obstaculizar outras operações. - O acondicionamento do lugar e a idoneidade do local para esta aplicação.

6.6.3.2. CAMPO DE COLETORES Ao estabelecer a disposição do campo de coletores, se deverá ter em conta:

- A facilidade de acesso para as operações de manutenção. - A resistência suficiente para os suportes, coletores solares, e aumento de cargas que pudesse representar. - A orientação sul e/ou sem sombras. Em caso de ser inevitável a projeção de sombras, ao meio-dia solar não superará 15% da superfície de captação no pior dos casos. - Estará protegido de possíveis vandalismos, queda de objetos, etc.

Constituir-se-á em grupos de captadores de não mais de 12 m2, ou em todo caso, da medida indicada pelo fabricante ou técnico projetista da instalação. Os captadores solares da instalação deverão ser do mesmo modelo e fabricante. Se isto não for possível, haverá que compensar totalmente as diferenças. Além disso, deverão cumprir também os seguintes requisitos:

- Estar homologados, tendo vigentes o correspondente certificado e o número de homologação (prescindível em pequenas instalações de equipamentos e kits de montagem domésticos, devidamente garantidos pelo fabricante). - Dispor no mínimo das seguintes características: - Curvas de rendimento instantâneo realizadas por um laboratório credenciado. - Superfície útil de captação.


- Peso em vazio. - Capacidade de líquido. - Tipos de líquidos, vazões recomendadas e perdas de carga. - Pressão máxima de serviço e pressão de prova. - Constituição do absorvente e do circuito de líquido. - Constituição da cobertura e da caixa. - Sistema de vedação. - Tipos e espessuras do isolante. - Sistema de fixação. - Sistemas de conexões específico.

As conexões deverão reunir as seguintes características mínimas:

- Assegurar a estanquidade hidráulica dos captadores entre si, com as tubulações do sistema de condução. - Os efeitos das dilatações e dos possíveis movimentos dos captadores, tubulações, estruturas, cargas, etc., da instalação e das intempéries, não devem afetar os captadores. - Permitir a instalação de válvulas de corte e regulação por captador e grupo de captadores. - Não são recomendáveis os sistemas de mangas e braçadeiras.

6.6.3.3. CONDUTOS Os condutos circularão por zonas protegidas de golpes e atritos, tendo em conta:

- A disposição de suportes para a distância e sistemas adequados. - A aplicação de isolamentos apropriados. - As dilatações por mudanças de temperatura. - A proteção contra a corrosão de seus componentes. - A proteção contra as intempéries de todos os materiais que intervenham na sua instalação, incluídos os isolantes. - A durabilidade mínima de 50 anos em condições de trabalho normais.

Deverá ser levado em conta também que irão acompanhados das correspondentes fixações, que deverão cumprir essas mesmas características. 6.6.3.4. SALA DE MÁQUINAS Tanto a sala de máquinas como a localização dos acumuladores solare estarão situados o mais próximo possível dos pontos de consumo. Será suficientemente espaçosa para o acesso a cada componente, para comprovar seu funcionamento e facilitar as operações de manutenção, e disporá dos correspondentes desagües para situações imprevistas. Toda a instalação será feita seguindo os critérios marcados pelo "Regulamento de Instalações de Calefação e Água Quente". Disporá de sua própria caixa elétrica de controle e regulação, alimentada se possível por uma linha direta


exclusiva, desde a caixa de distribuição principal, com as correspondentes proteções contra sobrecargas, curto-circuitos e derivações para terra. Todos os componentes e instalações elétricas cumprirão o estabelecido no vigente "Regulamento Eletrotécnico para Baixa Tensão e Instruções Técnicas Complementares". 6.6.4. INÍCIO DE FUNCIONAMENTO DA INSTALAÇÃO Para o início de funcionamento da instalação, deverá ser seguida uma série de passos e operações. 6.6.4.1. LIMPEZA E ENCHIMENTO DA INSTALAÇÃO É conveniente realizar um primeiro enchimento e drenagem da instalação com dois objetivos:

- Realizar uma limpeza de possíveis depósitos de sujeira, de limalhas, etc., introduzidas no circuito durante a montagem. - Detectar e corrigir fugas.

O enchimento do circuito será realizado da parte mais baixa para a mais alta, para evitar bolsas de ar que, de outra forma, poderiam ficar dentro do circuito. Uma vez terminada a operação de enchimento, se ligará o sistema, deixando o fluido recircular durante um certo período de tempo, para que sejam arrastadas as partículas das tubulações. Depois deste processo, se esvaziará, serão corrigidas as fugas e, em seguida, se procederá ao enchimento definitivo da mistura de água e de anticongelante, se este último for necessário. Os processos de enchimento são descritos com detalhe nos pontos seguintes. Processo de enchimento e de purga do circuito primário em uma instalação conectada à rede com vaso de expansão fechado a) Em instalações pressurizadas pela rede de fornecimento, o circuito primário ou de coletores estará protegido por um redutor de pressão, tendo que regular este à pressão necessária para manter a mínima no ponto mais alto do referido circuito. Desta forma, deverá estar previsto um purgador automático de ar colocado no ponto mais alto, o qual se manterá aberto até a eliminação total do ar. b) A válvula de segurança é regulada à pressão máxima de trabalho dos coletores. c) A purga da bomba de circulação será aberta antes de dar a partida. d) O vaso de expansão terá uma pressão a frio e quando vazio, ou seja, sem pressão no trecho que une este com a condução principal, que normalmente será igual ou superior a 1,5 kg/cm.


e) Se comprovará que todas as chaves de passagem se encontram em sua correta posição de aberto ou fechado. f) Uma vez realizadas as operações anteriores, se procederá para encher e pressurizar o circuito, fazendo-o a frio. g) Uma vez cheio e pressurizado, devem ser fechadas as purgas de ar e seguir a linha, comprovando que não há fugas em nenhum ponto. Sistemas de vaso de expansão aberto Neste caso, o enchimento se realizará diretamente pelo vaso de expansão, por meio do enchimento automático. Enchimento com anticongelante Quando o sistema utiliza um vaso de expansão aberto, é preferível realizar a mistura fora do sistema e introduzi-la no circuito, introduzindo-a lentamente no vaso de expansão. Em sistemas fechados pode-se prever uma tomada na parte inferior do circuito para a introdução da mistura anticongelante, mantendo durante a operação de enchimento, aberta a válvula de purga situada na parte alta do circuito. Para acelerar o processo em instalações grandes, o instalador pode ser equipado com uma pequena bomba portátil. Enchimento e purga do circuito secundário a) O circuito secundário fica pressurizado pela rede de fornecimento, e somente nos casos nos quais sejam previstos valores maiores do que os usuais, se colocará um redutor de pressão. Este será regulado da maneira descrita no circuito primário. b) Deverá estar previsto um purgador automático de ar colocado no ponto mais alto do circuito, o qual deberá estar aberto até a evacuação total do ar. c) Da mesma forma, também será prevista uma válvula de segurança, assegurando sua descarga livremente. Esta se encontrará sob a pressão máxima de trabalho do depósito acumulador, que é o elemento menos resistente do circuito secundário. d) Se comprovará que todas as chaves de passagem se encontram na posição correta de aberto ou fechado. e) Uma vez realizadas as operações anteriores, se procederá para encher e pressurizar o circuito. f) Por último, serão fechadas as purgas de ar e se seguirá a linha, comprovando que não há nenhuma fuga.


Além disso, se quisermos nos assegurar uma partida com todas as garantias de resultados, teremos que seguir as seguintes premissas:

- Comprovação elétrica da instalação. - Ajuste da vazão dos circuitos. - Equilibração dos circuitos.

Qaunto às provas de recepção, podem ser destacadas cinco básicas e fundamentais:

- Prova de estanquidade. Será realizada antes de isolar as tubulações e sob uma pressão hidrostática não inferior a 1,5 vezes à pressão nominal do circuito. - Prova de funcionamento ou de aquecimento. - Prova de circulação de fluido. - Provas de acessórios. Serão realizadas durante a prova de pressão do circuito, aumentando a pressão de ajuste frente à válvula de segurança, até chegar a um valor de 1,1 vezes à pressão de ajuste, comprovando assim que a válvula atue.

6.6.5. ISOLAMENTO DA INSTALAÇÃO Quando se fala de isolar uma instalação, nos referimos ao isolamento daqueles componentes que desprendem calor, os quais são basicamente os acumuladores e todo o sistema de condução do líquido portador de calor. As conduções de água quente, como todo corpo que está a maior temperatura que o entorno, são suscetíveis de produzir grandes perdas caloríficas: para evitar este efeito negativo em nossa instalação, temos que isolá-las. A escolha de um isolamento é determinada por diversos fatores, destacando:

- O coeficiente de condutividade. - O custo (incluindo sua montagem). - A gama de temperaturas de trabalho. - O comportamento frente aos materiais que isola. - A estabilidade e resistência aos elementos.

O isolamento das canalizações para água quente, a temperaturas relativamente baixas, costuma ser dos seguintes materiais:

- Espuma elastomérica. Permite alcançar temperaturas de até 100ºC. Não é corrosiva. Possui uma boa resistência mecânica, não se degrada com a umidade, é rápido e fácil de montar, e possui um coeficiente de condutividade a 20 ºC de 0,035 W/mK; do contrário, em utilizações para as intempéries, deve-se proteger da ação da radiação solar. - Fibra de vidro. Suporta temperaturas elevadas, possui uma baixa resistência mecânica, e é muito fraca sua resistência na água, motivo pelo qual geralmente são montadas recobertas por um tubo de aço


galvanizado como proteção, tendo um coeficiente de condutividade a 50ºC de 0,046 W/mK.

6.7. MANUTENÇÃO PREVENTIVA Os equipamentos e as instalações de energia solar possuem alguns desempenhos variáveis em função da insolação, das condições climáticas, do uso para o qual são destinados, da variação da demanda, etc. A determinação no projeto ou estudo de viabilidade dos desempenhos, da produção energética, da porcentagem de cobertura, etc., pode ter variações importantes com respeito ao resultado final. A existência de uma energia de suporte que garanta o serviço sem o fornecimento solar torna difícil determinar o nível de cobertura e o fornecimento energético solares. A influência das condições climatológicas no campo dos captadores solares, nas instalações exteriores de toda instalação de energia solar e no comportamento dos materiais utilizados, torna imprescindível a vigilância e a manutenção preventivas. Submeter as instalações a um acompanhamento, permite determinar e controlar os desempenhos da instalação de energia solar, a evolução da demanda no tempo, e os principais parâmetros que determinaram o dimensionamento e o desenho da instalação. Um sistema de acompanhamento da segurança pelo fabricante, pelo projetista, pelo instalador e pelo usuário, com o qual é garantido e aumentado o grau de satisfação, pode ser realizado de diversas maneiras: pode ser simples ou sofisticado, tudo dependerá da complexidade e das dimensões da instalação, sendo estabelecido com o consenso de todos os participantes. Deve ser acompanhado de um programa no qual se procure a manutenção dos parâmetros iniciais da instalação por um período mínimo de três anos. Na hora de realizar os trabalhos de manutenção, os principais elementos de controle serão:

- Controles de funcionamento: - Termostato diferencial de aproveitamento solar. - Indicador e/ou regulador da pressão do primário. - Termostato de regulação da energia auxiliar. - Purgadores automáticos de ar. - Bombas de circulação. - Elementos de segurança: - Válvulas de segurança no primário e secundário. - Vasos de expansão. - Componentes a manter: - Isolamentos externos e sua proteção aos U.V. - Filtros. - Intercambiadores.


- Bombas circuladoras. - Qualidade do líquido do primário.

6.8. LOCALIZAÇÃO E CONSERTO DE AVARIAS 6.8.1. CONCEITOS GERAIS Para o estudo do tema, estabeleceremos uma diferença entre avarias do sistema, e deterioramento ou degradações da instalação. 6.8.1.1. AVARIAS MAIS FREQUENTES NOS SISTEMAS SOLARES DE BAIXA TEMPERATURA A presença de avarias é detectada através dos seguintes sintomas:

- O rendimento da instalação baixa consideravelmente ou desaparece, isto é, em dias ensolarados a temperatura do depósito solar sobe pouco ou nem sobe, e o sistema de energia auxiliar (se se encontra) funciona durante um demasiado tempo. - Aparecem fugas de água no circuito. - O sistema de energia auxiliar não arranca, e em dias sem sol a instalação não esquenta. - Os recibos de energia auxiliar são excessivos. - A instalação gera ruidos anormais, seja porque alguma das bombas se torna demasiado ruidosa, seja porque se escuta como ferve a água dos coletores.

Estas deficiências são conseqüência de alguma das seguintes avarias:

- O não funcionamento das bombas é notado quando em um dia ensolarado a temperatura do depósito não aumenta. - A baixa pressão no circuito, estando frio e parado. Esta pressão deve ser comprovada à primeira hora da manhã, com a água fria e as bombas paradas. Os manômetros devem indicar pressões superiores às definidas no desenho da instalação. - As bombas funcionam, mas a vazão e a pressão são insuficientes. - As bombas funcionam dando pressões altas e vazões baixas. - Fugas de líquido no circuito. - Funcionamento excessivo da válvula de segurança. - O queimador auxiliar de gás ou combustível não arranca.


- As resistências de aquecimento auxiliar entram em funcionamento. - Ruptura do vidro do coletor. - Ruptura da junta da cobertura do coletor ou das juntas de saída dos tubos do coletor. - Ruptura do material isolante, deixando acesso para tubulações ou componentes. - Ruídos anormais na bomba. - Ruído de ebulição no coletor.

6.8.1.2. DETERIORAÇÃO E DEGRADAÇÕES DE IMEDIATA REPARAÇÃO Este tipo de avarias devem ser consertadas o mais rápido possível, já que podem comportar conseqüências graves a curto prazo.

- Entrada de água no coletor, entre o absorvedor e o vidro, como conseqüência de uma perda da estanquidade na união cobertura-carcaça ou das juntas de saída das tubulações. Este é possivelmente o mais grave dos problemas.

- Descolagem, ruptura ou deterioração do isolante ou de sua proteção na

parte exterior do circuito. - Deformação da caixa do coletor por esforços térmicos. - Operações de revisão de componentes do circuito. - Desbloqueio de bombas. - Purgação da bomba. - Determinação da vazão proporcionada pela bomba. - Calibração do controle. - Limpeza do circuito.

6.9. ESTRUTURAS DE SUPORTE E DE ANCORAGEM Esta estrutura serve de fixação para o captador no campo de captação. O fabricante dos captadores deve fornecer, ou no mínimo informar, as soluções para a fixação de seus captadores, tendo em conta o lugar, inclinação, peso, conexões, etc. Em geral, o sistema de fixação terá as seguintes características:

- Os materiais serão os apropriados para resistir às intempéries.


- Todo o sistema de fixação, de estrutura e de encravamentos, não deve transmitir nenhum tipo de esforço ao captador, às suas conexões e ao circuito hidráulico ao qual irá conectado, tendo em conta as cargas de peso e as dilatações que se produzirão. - Terminada a instalação, deverá resistir às sobrecargas por vento e neve, segundo consta na "Normativa Básica da Edificação NBE-MV-101-1979, Ações na Edificação." - Em geral, a estrutura, os encravamentos e todo o campo de captação, estarão submetidos à legislação local, às Normas Básicas e às práticas usuais na construção que lhe sejam de aplicação. - É responsabilidade do instalador verificar se o lugar onde será colocado o campo de captadores cumpre as condições de resistência e de segurança necessárias.

6.10. ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO DOS COLETORES Na instalação de coletores planos existem dois fatores de grande importância para otimizar seu funcionamento: a orientação e a inclinação. Com estas duas variáveis pretende-se que ao longo das horas do dia e dos meses do ano, o ângulo formado pela radiação incidente e a normal ao coletor seja mínimo. Este será obtido, em geral, orientando os coletores para o sul e dando um ângulo de inclinação igual à latitude da zona. Este ângulo de inclinação dependerá do tipo de utilização da instalação, e poderá ser variado ao longo do ano caso se preveja que na aplicação existirão pequenas diferenças com respeito à demanda de uns meses para outros, para que seja mais favorável nos períodos de maior demanda energética. Para mais detalhes com relação ao ângulo de inclinação, além dos procedimentos analíticos, existem tabelas que os desenvolvem e indicam a radiação incidente sobre as superfícies inclinadas para os diferentes meses do ano e latitudes geográficas. Por regra geral, as inclinações serão: Tabela 6.2. Ângulo de inclinação dos coletores de acordo com a época do ano.

Utilização pessoal Inclinação Desvio Estival 35º +/- 10º

invernal 50º +/- 10º Anual 45º +/- 10º

A situação pode ser tão favorável em coberturas de edifícios como nos espaços do terreno dos quais se disponha. Se é sobre uma cobertura, se deverá ter cuidado com a sobrecarga que as instalações, suportes e


captadores podem representar, e o fato de que nos exigirá uma série de suportes extras. Com respeito à orientação, deve-se ter em conta nossa situação no planeta. Em nosso caso, o fato de viver no hemisfério norte, situa o sol para nosso sul. Portanto, para obter um máximo rendimento, nossas placas estarão orientadas para o sul; não obstante, não devemos nos preocupar excessivamente com a precisão, já que, inclusive com uma variação de até 25º, obteremos mais de 90% da radiação total. 6.11. DETERMINAÇÃO DE SOMBRAS Normalmente, no dia mais favorável do período de utilização, o equipamento não deve ter mais de 5% da superfície útil de captadores coberta por sombras. Um equipamento se tornará inoperante quando 20% de sua superfície de captação estiver coberto por sombras. A determinação de sombras projetadas sobre captadores por parte de obstáculos próximos é concretizada na prática, observando o entorno a partir do ponto médio da aresta inferior do captador, tomando como referência a linha norte-sul. Fazendo uma "varredura" angular para ambos os lados da linha N-S, não deve se concretizar nenhuma forma de obstáculo em frente ao captador, ou campo de captadores, com uma altura superior a 15º e, zonas geográficas de latitude próxima a 40º (península) ou 25º em latitudes próximas a 30º (Canárias). Quando a projeção das sombras a determinar provém de obstáculos afastados, podem ser utilizados os diagramas solares polares. Nestes diagramas estão representados os ângulos de orientação, altura solar, horário (T.S.V.) e a declinação do sol para diferentes períodos do ano e latitudes. Os ângulos horários são representados por linhas para traçados perpendiculares às declinações. Sua intersecção com o círculo de máximo diâmetro (E-O) indica as horas (T.S.V.) do nascer e do pôr do sol no período anual que se considere. 6.12. DISTÂNCIA MÍNIMA ENTRE COLETORES A separação entre linhas de captadores é estabelecida de tal maneira que, ao meio-dia solar do dia mais desfavorável (altura solar mínima) do período de utilização, a sombra da aresta superior de uma fileira deve se projetar, como máximo, sobre a aresta inferior da fila seguinte. Em equipamentos que sejam utilizados durante todo o ano ou no inverno, o dia mais desfavorável corresponderá a 21 de dezembro. Neste dia, a altura solar mínima ao meio-dia tem o valor:

Hmin = (90º - latitude zona) - 23º


Para equipamentos de utilização de verão, os dias mais desfavoráveis podem ser 21 de março ou de setembro. Nestes dias, a altura solar mínima ao meio-dia solar será:

Hmin = (90º - latitude zona) A distância mínima entre linhas de captadores para que a fila anterior não projete sombras sobre a posterior, é determinada através da fórmula: Distância mínima = B·cos S+(B·senS/tg min) em que: S = inclinação do captador. B = comprimento do captador. Min = ângulo mínimo de incidência (seu valor aproximado pode ser deduzido do correspondente diagrama solar polar).


7. – dimensionamento e regulação das instalações

solares

7.1. DIMENSIONAMENTO DA SUPERFÍCIE COLETORA 7.1.1. CRITÉRIOS DE PARTIDA A superfície coletora deverá ser tal que o fornecimento solar total no período considerado seja igual ao consumo requerido. Referido tempo costuma ser o denominado mês médio, que coincide com um mês, com um consumo e um fornecimento solar igual à média produzida nos meses considerados. Na hora de determinar seu dimensionamento, serão considerados os seguintes aspectos:

A produção de água quente baseada:

- Na vazão (litros/dia). - Na temperatura de consumo e de água fria. - No consumo horário. - No consumo mensal.

Nos dados meteorológicos, já que para os cálculos energéticos são necessárias as condições ambientais da zona:

- Temperatura ambiente em hora solar. - Temperatura da água fria. - Graus dia do mês. - Radiação solar. Altura solar 50º; azimute 0º. - Radiação solar. Altura solar 30º; azimute 0º.

7.1.2. INTENSIDADE ÚTIL E RENDIMENTO DO COLETOR 7.1.2.1. CÁLCULO DA INTENSIDADE UTIL (I) A intensidade incidente sobre a superfície dos coletores irá variando conforme transcorra o dia. Para práticos efeitos de cálculo, pode-se trabalhar com uma intensidade média, que será o quociente entre a energia útil E incidente ao longo do dia e o tempo útil do dia, ou seja, o tempo que o Sol está sobre o horizonte, descontando os dois intervalos ao princípio e ao final do dia nos quais a altura solar é tão baixa, que a intensidade se situa abaixo da sombra.


O número de horas úteis de sol, de intensidade acima do limite, tem sido

determinado empiricamente como dia médio de cada mês.

A tabela 7.1 recolhe o número de horas úteis de sol em um dia médio por mês.

A tabela 7.1 Número de horas de sol úteis (intensidade acima da sombra). JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 8 9 9 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5

Com o objetivo de introduzi-la na equação do rendimento do coletor, a intensidade deve ser calculada em unidades do SI (W/m2) e, em conseqüência, tanto a energia como o tempo devem ser expressos no citado sistema, isto é, a energia em Joules e o tempo em segundos. Assim, por exemplo, se quer-se determinar a intensidade útil sobre uma superfície no mês de maio, se dividirá o valor de E, que havíamos convertido previamente para Joules, entre (9,5 x 3600 (para obter o tempo útil em segundos)). 7.1.2.2. CÁLCULO DO RENDIMENTO DO COLETOR Tal e como acontece com o restante das variáveis, deve-se realizar o cálculo do rendimento prático do coletor mês a mês, da seguinte maneira: 1. A partir da curva de rendimento teórico fornecida pelo fabricante (figura 4.6), serão efetuadas as seguintes correções.

- Como o rendimento teórico é estabelecido na suposição de que os raios solares incidem perpendicularmente à superfície do coletor, coisa que em realidade não acontece, mas que formam um ângulo variável ao longo do dia - por causa da incidência oblíqua dos raios sobre uma superfície -, este diminui em um fator de 0,97 (medidas experimentais). - O efeito da sujeira e envelhecimento da cobertura transparente, no caso de existir, faz com que a transmitância também diminua por termo médio em um fator igual a 0,97.

2. Como na equação do rendimento, costuma-se englobar o produto em um só valor numérico, será suficiente multiplicar este valor por 0,97x0,97=0,94 para obter a equação do rendimento real de um coletor com cobertura. Evidentemente, se esta não existe, o fator de correção será igual a 0,97. 3. F e UL são dados fornecidos pelo fabricante, seja independentemente seja expressando o valor de seu produto na própria equação do rendimento. Apenas falta substituir nesta o valor de I (intensidade útil) anteriormente calculado e o valor de ta (temperatura ambiental diurna), que consultaremos nas tabelas.


4. Com respeito ao valor de tm (temperatura média da placa absorvente) unicamente poderia-se medir experimentalmente, porém a experiência nos diz que, para práticos efeitos de cálculo, é suficiente tomar o valor médio entre a temperatura de entrada e saída do coletor (te+ ts)/2, igual da mesma forma ao valor médio da temperatura no acumulador. Por outro lado, é lógico que ao alcançar um regime estável de trabalho, a água chegará ao acumulador à mesma temperatura do fluido portador de calor, o qual está em contato direto com a placa absorvente. 5. Caso se trate de um sistema de A.Q.S., a temperatura no ponto de consumo é fixada em 40ºC, e a temperatura média no acumulador será, portanto, de 45ºC. 7.1.3. CÁLCULO DA ENERGIA APROVEITÁVEL Para determinar o cálculo da energia aproveitável que incide em um dia médio de cada mês sobre os coletores, deve-se partir das tabelas de radiação em função da área geográfica (província) e da inclinação proporcionada às placas. Aos valores ali indicados, se lhes aplicarão os seguintes fatores de correção:

- Caso se trate de uma instalação de montanha ou com atmosfera muito limpa, se multiplicará o valor da tabela pelo fator 1,05. - Caso se trate de uma instalação em uma zona fortemente poluída, se multiplicará por 0,95.

Empiricamente, se tem comprovado também que, tanto à primeira quanto à última hora do dia, a energia recebida pelo coletor não é aproveitável, por ser inferior a 200 W/m2. Este dado reduz novamente o total de radiação utilizável durante o dia, multiplicando-a pelo fator 0,94. Em seguida, se terá em conta a variação da radiação captada, que supõe o desvio com respeito ao sul da orientação de nossa instalação, multiplicando-a pelo fator correspondente, segundo a tabela 7.2: Tabela 7.2 Fator de correção a aplicar em função do ângulo de orientação das

placas. Ângulo de desvio

5º Fator de correção

0,99 10º 0,98 15º 0,96 20º 0,94 25º 0,90

Do mesmo modo, deve-se indicar o método de cálculo empregado, pelo qual se utilizará a demanda já calculada e os dados ambientais, climatológicos e de insolação locais, indicando as fontes, ou em todo caso, os valores considerados e sua justificação.


O cálculo energético relacionará as dimensões solares do campo de captadores (em m2) com a cobertura alcançável (em porcentagem) das necessidades totais, detalhado por meses e anualmente, e apresentado em forma de tabela. 7.1.4. ENERGIA ÚTIL E DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE NECESSÁRIA Depois de calcular a energia que chega às nossas placas, temos de ter em conta que esta não é a mesma que a que será aproveitada, já que as placas possuem um rendimento limitado. Para o cálculo do rendimento teórico necessitaríamos resolver um problema de cálculo numérico muito complicado no qual interveriam muitas variáveis; em nosso caso, novamente utilizaremos uma norma de cálculo aproximada. A partir da experiência prática, situaremos o rendimento do coletor em uns 50-60%, dependendo da qualidade dos materiais empregados em sua construção. Uma vez realizados os cálculos, poderemos conhecer o fornecimento energético de nossos coletores, que será o introduzido no acumulador. Se dividirmos este valor pelo de radiação que teríamos nas tabelas, obteremos a porcentagem utilizada, em forma de rendimento global da instalação. A energia que diariamente é fornecida pela instalação não coincide com a disponível para o consumo, devido às perdas térmicas que se produzem em todos os elementos da mesma, principalmente condutos e acumulador. Tais perdas dependem principalmente da distância placas-acumulador e do material isolante que utilizamos. Apesar das múltiplas combinações que possamos ter, cifraremos estas perdas em 15% aproximadamente da energia captada, ou seja, a energia disponível será igual para multiplicar a energia aproveitável calculada no tópico anterior por 0,85. O nível de cobertura é a base para dimensionar todo o sistema, tendo em conta as possibilidades de ampliação, adaptação para futuras aplicações ou fontes de energia, e parâmetros técnicos e de rendimento que sejam adequados a cada aparelho ou componente da instalação. O dimensionamento do campo de captação será condicionado pelos resultados do cálculo, da superfície de captação, da inclinação, do agrupamento e do tipo de captador e, finalmente, das conexões hidráulicas dos captadores e dos grupos. O campo de captação deve ser adaptado às características do lugar, segundo os critérios de integração e do projeto. Para o dimensionamento do sistema, pode-se partir dos seguintes valores:

- Consumo de A.Q.S. por pessoa: de 35 a 105 litros/dia. - Consumo de A.Q.S. por ducha desportiva: de 15 a 35 litros/dia. - Superfície de captação: - Para produção de A.Q.S. (m2/pessoa): de 50 a 100 litros/m2 dia.


- Nível de cobertura: - Para produção de A.Q.S: de 35 a 65% da demanda total. - Para aplicações de calefação: de 25 a 50% da demanda total. - Produção solar alcançável: de 650 a 1200 kWh/m2 de captação ao

ano. Deve-se ter em conta que o cálculo da superfície coletora não somente dependerá das necessidades energéticas e da energia líquida disponível por cada m2 de coletor, mas também do custo total da instalação. Pretender ser auto-suficiente no inverno significaria provavelmente dobrar a quantidade de superfície coletora, e caso nos propuséssemos, por exemplo, ser auto-suficientes no verão equivaleria a cobrir 50% de nossas necessidades no inverno. Uma maneira possível de encontrar um equilíbrio entre inversão e resultados é calcular a instalação para 100% para o verão, 100% para o inverno e fazer uma média. Uma vez escolhida a solução particular de cada caso, calcularemos o fornecimento total a partir da superfície utilizada. 7.2. CÁLCULO DOS ELEMENTOS DA INSTALAÇÃO 7.2.1. SUBCONJUNTO CAPTADOR O processo de cálculo a seguir será: 1. Calcular o consumo energético de acordo com os dados de consumo e de temperatura da água de rede. Este cálculo pode ser feito mês a mês ou escolhendo um mês de cada estação, segundo a precisão desejada. 2. Buscar nas tabelas o valor da radiação segundo a província e a inclinação selecionadas, correspondente aos meses calculados no tópico anterior. 3. Aplicar no valor encontrado no ponto (2), os coeficientes de acordo com a situação da instalação, se está situada em zona de montanha ou em uma zona poluída, e o fator de desvio da orientação. 4. Multiplicar o valor encontrado no ponto (3) por 0,94. 5. Calcular a energia aproveitável, multiplicando o valor obtido no ponto (4) pelo rendimento do coletor, pelo geral, 0,60. 6. Calcular a energia útil, multiplicando o valor do ponto (5) pelo fator de perdas 0,85. 7. Encontrar a superfície de coletores, dividindo as necessidades encontradas no ponto (1) pela energia útil do ponto (6).


8. Calcular o número de coletores a utilizar, dividindo a superfície do ponto (7) pela de cada coletor (ainda que dependerá do tipo de coletor utilizado, são aconselhadas superfícies de 1,5 a 2 m2). 9. Calcular a superfície real a instalar, multiplicando o número de coletores do ponto (8) pela superfície de cada coletor. 10. Calcular a energia útil real que obteremos, multiplicando a superfície real do ponto (9) pela energia útil do ponto (6). 11. Calcular o fornecimento da instalação, dividindo a energia útil real do ponto (10) entre o consumo energético do ponto (1), e multiplicar o resultado por 100 para expressá-lo em tanto por cento. 12. Avaliar econômicamente cada opção das calculadas no ponto (8) e escolher a mais rentável. 7.2.2. SUBCONJUNTO DE TRANSFERÊNCIA TÉRMICA 7.2.2.1. FLUIDO PORTADOR DE CALOR A concentração do fluido anticongelante deverá ser capaz de suportar sem congelar uma temperatura de -5ºC, inferior à mínima histórica que tenha sido registrada na zona. 7.2.2.2. TUBULAÇÕES O diâmetro das tubulações deve ser o adequado tendo em conta o comprimento do circuito e as perdas de carga, as quais devem ser razoáveis. No caso de que sejam excessivas, deve-se escolher um diâmetro imediatamente superior. 7.2.2.3. BOMBAS DE CIRCULAÇÃO Para a escolha da bomba de circulação, deverão ser calculadas previamente as perdas de carga singulares, ou seja, poderão ser seguidos utilizando os métodos convencionais. Sem embargo, para pequenas instalações e com os acessórios normalmente empregados, é suficiente considerar que este tipo de perdas (que sempre superam as lineares) equivale aproximadamente ao dobro o ao triplo da perda de carga linear antes calculada, segundo os casos, e as peculiariedades da instalação. Somente a experiência de instalações parecidas servirá como indicativo mais precisa do valor total que a perda de carga possa alcançar e, em qualquer caso, nunca se estará de todo seguro sem que se proceda para medi-la na prática, uma vez realizada a instalação, servindo-se de um manômetro e procedendo como indicado nos pontos anteriores. Ademais, haverá que somar as perdas de carga produzidas pelos próprios coletores e pelo intercambiador, que não estão englobadas nas hipóteses


anteriores, e que serão obtidas diretamente dos dados fornecidos pelos fabricantes. Ainda que seja conhecida a perda de carga de um só coletor para uma determinada vazão, não é simples calcular a perda de carga de cada fila ou combinação de filas de coletores, pois depende do tipo de conexão e das características do fluido. Se o fabricante não fornece as tabelas das perdas de carga das combinações mais frequentes, até não medi-las experimentalmente com a instalação funcionando, não se estará seguro de seu valor. As perdas de carga dos coletores ou grupos de coletores em série devem ser somadas para se obter a perda de carga total. O habitual é que a combinação inclua também conexões em paralelo. Em qualquer caso, a perda de pressão atribuível aos próprios coletores é sempre muito inferior à devida aos acessórios e conexões dos mesmos. Uma vez calculada a perda de carga total do circuito, se esta for maior do que 7 m de coluna de água recomenda-se redesenhar o mesmo com o objetivo de reduzi-la, utilizando uma tubulação de maior diâmetro, modificando seu traçado, etc. Quando se tiver estabelecido o valor definitivo da perda total de carga que a bomba tem que vencer, esta será selecionada fixando-se nas curvas características dos diferentes modelos, e tendo em conta a vazão que deve fornecer. A partir de instalações de certa magnitude (50 m2 de superfície coletora), recomenda-se montar duas bombas idênticas em paralelo, tanto no circuito primário como no secundário, atuando uma delas de reserva e tendo que prever seu funcionamento alternativo, de maneira manual ou automática. A vazão recomendada (para o caso do fluido portador de calor com anticongelante) que a bomba deve proporcionar é de uns 75 litros/hora por m2 de superfície coletora. 7.2.2.4. VASOS DE EXPANSÃO Os vasos de expansão serão calculados de diferentes maneiras, segundo se são abertos, se também servem para recolher o fluido dos coletores quando seja necessário esvaziá-los, ou se são depósitos fechados. No caso de que sejam abertos, o volume será dado pela expressão

V = 1,25.VC + 0,05.Vr

sendo:


Vc= capacidade total dos próprios coletores. Vr= volume do restante do circuito primário. E no caso de que sejam fechados:

V = Vt (0,2+ 0,01. h)

em que: Vt= capacidade total do circuito primário. h= diferença de altura em metros, desde o campo de coletores e do depósito de expansão. 7.2.2.5. INTERCAMBIADORES O intercambiador interior do acumulador será dimensionado tendo em conta que sua superfície deverá estar compreendida entre 1/4 e 1/3 da superfície total coletora. Para o intercambiador exterior será válida a regra de que sua potência seja, no mínimo, de 0,5 kW por cada m2 de superfície coletora, procurando fazer com que o volume das vazões no primário e secundário sejam aproximadamente iguais. Para efeitos de cálculo deveremos supor que a temperatura de entrada do primário será de 50ºC e a de entrada do secundário de 40ºC, não admitindo eficácias inferiores a 0,4. 7.2.2.6. PURGADORES E DESAIREADORES Será disposto um sistema de purga para cada bateria de coletores, calculando-se o volume útil "da capacidade ou volume amortecedor" e do desaireador. 7.2.3. SUBCONJUNTO DE ARMAZENAMENTO É óbvio que a necessidade de energia nem sempre coincide no tempo com a captação que obtemos do Sol, fator pelo qual torna-se absolutamente imprescindível dispor de um sistema de armazenamento que faça frente à demanda em momentos de pouca ou nula insolação. Armazenar energia através de água quente tem indubitáveis vantagens. É barata, fácil de utilizar, tem uma alta capacidade calorífica e é ao mesmo tempo o elemento de consumo em nosso caso. A escolha para o tanque depende de diversos fatores, tais como o tipo de aplicação, lugar de instalação, custo, vida média calculada, etc., sendo os materiais mais utilizados o aço, aço inoxidável, alumínio e fibra de vidro reforçada.


Aproveitando o fenômeno da estratificação, a água diminui sua densidade ao aumentar a temperatura, pelo que quanto maior for a altura, maior será a diferença entre a temperatura na parte superior e inferior do depósito, isto é, maior será o gradiente térmico. O dimensionamento do acumulador depende em grande medida da utilização da instalação. Nosso objetivo é fazer com que a água tenha energia calorífica suficiente para satisfazer as necessidades do usuário durante breves períodos de ausência ou falta de radiação solar, quase nunca superiores a um dia. Passado este período, deve-se fazer uso de outra energia de suporte ou substitutória da energia solar, caso queira-se continuar desfrutando de água quente. Os estudos teóricos e experimentais que têm sido efetuados, corroborados amplamente pela experiência, mostram que o volume ideal de acumulação é de cerca de 70 litros por cada m2 de coletor. Se a acumulação é menor, são obtidas temperaturas mais elevadas, em detrimento do rendimento do sistema, e se é maior, embora melhore o rendimento, existe o perigo de não chegar à temperatura de utilização. 7.3. REGULAÇÃO E CONTROLE DAS INSTALAÇÕES SOLARES Para o bom funcionamento do sistema de energia solar, é fundamental a regulação tanto da vazão que circula pelos captadores quanto das temperaturas de funcionamento. A finalidade da regulação é assegurar a transferência de calor da captação para a acumulação e a utilização. 7.3.1. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULAÇÃO POR TERMOSTATO Um termostato de contato ou de imersão detecta se a temperatura do coletor ultrapassa o valor de ordem previamente fixado. Seu funcionamento é ilustrado na figura 7.1

Figura 7.1 - Regulação de coletores por termostato: 1 Coletor. 2

Interacumulador. 3 Bomba de circulação. 4 Termostato.


Este sistema de regulação utiliza-se quase que exclusivamente no aquecimento da água de piscinas. Não sendo recomendável para outras aplicações, dado que a perda energética é praticamente inevitável. Por exemplo, se a temperatura no acumulador supera o valor de ordem previamente ajustado no termostato, a bomba de circulação continua ligada, inclusive em ausência de radiação, e a energia do acumulador se dissipa no coletor. O ponto de corte do termostato deve corresponder com a temperatura desejada para a água da piscina. É importante que o termostato detecte a temperatura do coletor, inclusive quando a bomba esteja parada. Deve-se montar tão próximo quanto seja possível da conexão superior do coletor ou dentro do mesmo.

7.3.2. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA SOBRE A BOMBA

Constitui o sistema mais utilizado. Neste, o regulador diferencial compara a temperatura do coletor com a existente na parte baixa do acumulador. Quando a primeira for maior que a última numa quantidade superior à ajustada no regulador, este ordenará à bomba para que se ponha em funcionamento

Figura 7.2. - Regulação por termostato diferencial atuando sobre a bomba: 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba de circulação. 4 Regulador diferencial "tudo ou nada". 5 Sonda do coletor. 6 Sonda do acumulador. 7 Válvula de

estrangulamento. É preciso ajustar a diferença de temperaturas de tal maneira, para que em nenhum caso o calor do acumulador possa se dissipar através do coletor, exigindo que a temperatura no coletor seja alguns graus maior que no acumulador para que a bomba seja ligada. Este fato se justifica porque:


1. A perda de temperatura na tubulação do coletor para o

acumulador, pode ser, segundo seu comprimento, de cerca de 1ºC. 2. A tolerância da sonda e a do próprio regulador é de 1 a 2ºC. 3. O diferencial de temperatura no intercambiador de calor deve ser

no mínimo de uns 4ºC. 4. A instalação somente deve funcionar quando possa gerar mais

energia útil que a consumida pela bomba, o que exige um diferencial mínimo de 3ºC.

As considerações anteriores fazem com que seja aconselhável utilizar um diferencial mínimo de 6ºC. A bomba de circulação deve admitir sem problemas um regime intermitente. Uma boa relação ligada-parada da mesma é importante para evitar que seja conectada somente por curtos períodos e que a água quente se esfrie nas canalizações. O conteúdo em fluido dos coletores deve ser superior ao das tubulações de união com o acumulador, motivo pelo qual estas devem ser o mais curtas e de menor diâmetro possíveis. Na figura 7.3 representa-se um esquema típico no qual se mostra uma instalação completa de A.Q.S., incluídos os circuitos secundários e de distribuição, que também possuem sua própria regulação.

Figura 7.3. Regulação diferencial em uma instalação de A.Q.S. com quatro controles independentes.

O primeiro controle é realizado pelo termostato diferencial TD1 que, partindo da informação proporcionada pelo sensor S1 da temperatura à saída do coletor, e da informação de S2 da temperatura no acumulador AC1, aciona ou pára as bombas B1 e B2. Normalmente, o termostato aciona a B1 e B2 quando a temperatura de S1 é maior do que a de S2 em um valor prefixado. Desta


maneira, o sistema funciona sempre cedendo energia ao acumulador, e não roubando energia deste. Em determinados sistemas de grandes dimensões pode-se utilizar um segundo termostato diferencial como controle de otimização da instalação. Esta otimização consiste em transvasar água do acumulador AC1 para o acumulador AC2, sempre que a temperatura de AC1 supere à de AC2 em um determinado valor. Basicamente, o termostato TD2 não se diferencia do TD1; os dois são termostatos diferenciais. O TD2 detecta a diferença de temperatura entre o sensor S3 e o sensor S4, e quando sua diferença chega ao valor prefixado, aciona a bomba B3, incitando-se desta maneira o transvase de água de AC1 para AC2. O terceiro controle de temperatura se localiza no acumulador auxiliar AC2. Trata-se de um termostato clássico que, partindo do sensor S5, ativa ou desativa o elemento calefator R1 sempre que a temperatura deste acumulador desça abaixo do ponto fixado. Um último controle é o encarregado de manter uma temperatura constante da água que se extrai por serviços usuais. Trata-se de um controle proporcional CP que utiliza uma cadeia de realimentação através de um sensor e que atua sobre uma servoválvula que regula a mistura de água quente procedente de AC2 e de água fria procedente diretamente da rede. Na figura 7.4 representa-se uma instalação controlada por microprocessador. Tal e como se pode observar, o conceito de "controle repartido" da instalação é substituído aqui pelo de "controle centralizado". Todos os sensores estão agora conectados a uma unidade comum, que normalmente é um multiplexor. Esta unidade, controlada diretamente pelo microprocessador, rastreia todos os sensores, passando toda a informação que obtém destes, já digitalizada no mesmo, e executando o programa de atuação em ROM, para gerar os sinais digitais que passam para a unidade de saída, a qual é igualmente controlada pelo microprocessador e que incorpora um desmultiplexor analógico com um conversor digital-analógico. Desta maneira, os sinais analógicos são distribuídos entre os diferentes elementos que atuam. A unidade RAM de memória auxiliar é utilizada pelo microprocessador para a realização de cálculos e como registro temporal de dados.


Figura 7.4. Regulação por microcomputador. A posição dos sensores influi de maneira decisiva sobre o correto funcionamento do sistema de controle, já que sua posição define terminantemente a temperatura que realmente é controlada. São dois os aspectos a considerar:

1. A situação geral do sensor com relação à instalação. 2. A maneira de fixação do sensor em uma posição.

Convém analisar a partir destes dois pontos de vista a posição dos sensores nos diferentes tipos de controle de uma instalação solar de baixa temperatura.

7.3.2.1. CONTROLE DIFERENCIAL PRINCIPAL DAS INSTALAÇÕES SOLARES DE AQUECIMENTO DE ÁGUA

Logicamente, convém ligar as bombas e transferir calor do circuito primário ao secundário quando existe uma zona de água quente no primário que pode transferir calor a uma zona fria do secundário. A parte mais quente do circuito primário é a parte superior dos coletores, e a mais fria do circuito secundário, a zona inferior do depósito; zonas onde devem se situar os sensores, já que a diferença de temperaturas suficiente para transferir energia se estabelecerá primeiramente entre estes dois pontos. Os melhores sensores são os de imersão com bainha e cabeça rosqueada, que se mantêm fixos no interior. Às vezes, coloca-se uma bainha rosqueada na tubulação durante a montagem e depois se introduz a cabeça do sensor. Esta é uma solução perigosa, já que o sensor costuma se afrouxar e sair da bainha.


Os sensores de braçadeira, apesar de serem piores que os de imersão, podem ser admissíveis se forem situados presos à tubulação, imediatamente à saída do coletor. Correm o risco de se afrouxarem ou cairem das braçadeiras, perdendo o contato e proporcionando medidas errôneas no sensor. Também são utilizados sensores consistentes em uma pequena pastilha, onde vai imersa a cabeça sensível, enganchando-se ao absorvedor do coletor (figura 7.5). O maior inconveniente é que, por ser fixado normalmente na fábrica, qualquer problema ou avaria, especialmente a ruptura do fio, é de difícil solução. Ademais, deve-se ter em conta que a temperatura da placa absorvedora é sempre algo superior à do líquido, motivo pelo qual este tipo de sonda apenas deve ser utilizado para ligar a bomba, mas não para a regulação. Para facilitar o contato térmico entre a cabeça do sensor e a bainha, uma solução seria encher esta com pasta térmica de silicone, que transmite o calor da bainha ao sensor. Quando a instalação consta de mais de um coletor, o sensor deve situar-se na parte alta do coletor mais próximo à saída da tubulação para o acumulador. O sensor do acumulador apresenta poucos problemas, podendo consistir em uma bainha de imersão fixada em uma boca prevista ao construir o depósito, ou num sensor de superfície enganchado à parede exterior, por baixo do isolamento. A sonda fica situada na parte baixa do acumulador, mas a uma certa distância da boca de entrada da água fria e da serpentina intercambiadora para que não seja influenciada por nenhum deles. Nos casos nos quais sua localização não seja antecipadamente determinada pelo fabricante do acumulador, recomenda-se que seja montado a uma distância do próprio fundo equivalente a um quarto de sua altura.

Figura 7.5. Localização do sensor de temperatura.


7.3.2.2. CONTROLE DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DO DEPÓSITO AUXILIAR A posição do sensor do termostato do sistema de aquecimento auxiliar do tanque secundário tem uma considerável importância. A cabeça do sensor deve estar situada no ponto médio do volume a aquecer, regulando o termostato a um valor que tenha em conta que a temperatura será algo mais alta na parte superior. Para água quente sanitária, esta temperatura pode ser de 45ºC. 7.3.2.3. CONTROLE DO CIRCUITO DE RETORNO O sensor de controle do circuito de retorno seria situado antes da primeira ramificação ou saída de água. Não obstante, como esta condução deve estar perfeitamente isolada, por razões de simplicidade ou para que o circuito elétrico seja mais curto, o sensor pode ficar situado à saída da tubulação de água quente do depósito secundário, se existir, ou do tanque principal quando é único. O sensor pode ser de imersão ou de contato, devendo neste último caso estar perfeitamente preso à tubulação e coberto pelo isolamento para que sua medida seja correta. 7.3.2.4. CONTROLE DA VÁLVULA DE TRÊS VIAS DE REGULAÇÃO DO T DE SAÍDA O sensor de imersão ou de superfície deve detectar a temperatura de saída para o consumo. 7.3.2.5. CONTROLE DO SISTEMA ANTI-GELO O sensor deve situar-se na parte inferior da bateria de coletores, da maneira indicada, ou pelo sensor de saída do coletor. O sensor será sempre de imersão. 7.3.3. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA E VÁLVULA DE COMUTAÇÃO Na figura 7.6 se observa que o termostato (7) que vai montado sobre o coletor liga a bomba de circulação (3) e o sistema de controle (4), ao alcançar a temperatura mínima utilizável do coletor. A válvula de comutação (8) encontra-se no momento com o circuito by-pass aberto e com o circuito de intercambiador-acumulador fechado (2). Tão logo a temperatura média dada pela sonda de saída (5) supere a temperatura regulada pelo acumulador, a válvula motorizada abre a passagem direta para transmitir o calor ao acumulador.


Figura 7.6. Regulação de coletores por regulador de temperatura diferencial e válvula de comutação. 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador

diferencial. 5 Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Termostato de conexão. 8 Válvula de comutação.

Este sistema é adequado para instalações com grandes distâncias entre coletores e acumulador (o conteúdo de fluido nos coletores é menor que o das tubulações). A montagem do termostato de conexão (7) não é crítica. Em contrapartida, deve ser montado de tal maneira que detecte a temperatura do coletor, ainda que a instalaão esteja parada. A válvula de comutação e a sonda de saída devem ser montadas o mais próximo possível do intercambiador, o que permite reduzir as perdas de calor nas tubulações que saem do acumulador. A bomba deve ser selecionada de acordo com o tipo de fluido que circule pelo circuito. Em caso de utilizar óleo térmico, deve levar uma prensa-estopas especial. 7.3.4. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA E VÁLVULA MISTURADORA PROGRESSIVA Neste caso, o termostato (7) situado à saída do conector ativa a bomba de circulação e o equipamento de regulação (4) quando há suficiente radiação solar. O fluido calefator é recirculado através do by-pass da válvula. Quando a temperatura de saída em (5) é maior que a do acumulador em (6), a válvula vai se abrindo progressivamente. Uma parte do fluido calefator circula através do intercambiador, cedendo sua energia ao acumulador. Este sistema de regulação é apropriado para instalações de média e grande potência (superfície coletora entre 50 e 300 m2), com grandes comprimentos no primário, ou quando as condições hidráulicas deste sejam críticas.


Figura 7.7. Circuito de coletores com regulador de temperatura diferencial e válvula misturadora progressiva. 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4

Regulador diferencial. 5 Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Termostato de conexão. 8 Válvula misturadora.

7.3.5. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA E VÁLVULA DE BY-PASS PROGRESSIVA O regulador diferencial compara a temperatura de coletores com a do acumulador. Se a primeira é superior à última com respeito à quantidade prefixada em (4), se abre a válvula de by-pass (7). A bomba de circulação é ligada através de um contato auxiliar no servomotor e uma vazão mínima circula através do circuito de coletores. Se a temperatura destes continua subindo, a válvula de by-pass (7) vai se abrindo progressivamente, aumentando a vazão através dos coletores para manter constante a diferença de temperaturas ao valor regulado.

Figura 7.8. Circuito de coletores com regulador diferencial e válvula de by-pass progressiva. 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador. 5 Sonda de

saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Válvula de by-pass. 8 Válvula manual. Quando a temperatura de coletores diminui, a válvula se fecha. O sistema funciona para vazão variável em coletores até um mínimo ajustável. Abaixo


deste valor, a bomba liga ou pára em regime de "tudo ou nada". A aplicação deste tipo de regulação é centrada principalmente nas instalações de média e grande potência, assim como naquelas que possuem acumuladores múltiplos sem regulação. Também é indicado em instalações com baixa temperatura de retorno ou coletora, por bomba de calor ou intercambiadores de água sanitária, ou naquelas com curtos percursos entre coletores e acumulador. O contato auxiliar da válvula (7) será regulado de tal maneira que a bomba não seja ligada até que pela válvula circule a vazão mínima necessária através dos coletores (uns 20 litros por metro quadrado e por hora). A bomba se ligará quando a válvula (7) estiver aberta aproximadamente 15% e parará quando se feche. Em lugar da válvula (7) pode-se montar uma válvula que não se feche de todo (ajuste do final de carreira). O ideal seria uma bomba de vazão variável até uma vazão mínima, porém esta solução é cara. 7.3.6. CIRCUITO DE COLETORES COM REGULADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA E VÁLVULA DE BY-PASS E MISTURADORA PROGRESSIVA O regulador de temperatura diferencial (10) compara a temperatura de coletores com a mais baixa do acumulador, e quando a primeira for maior no valor ajustado, pôe em funcionamento a bomba de circulação e o regulador progressivo. Ao aumentar-se a temperatura de saída medida por (5), em uma primeira manobra da válvula misturadora (8), esta vai se abrindo progressivamente, de maneira que cada vez vai sendo maior a vazão que circula através do intercambiador de calor, aumentando assim a energia acumulada. Se a temperatura de saída continuar subindo, a válvula de by-pass (7) toma a posição de passagem direta e a vazão continua aumentando. Este sistema pode ser utilizado em todas as instalações de grande potência. Em lugar da válvula (7) pode ser montada outra de mariposa em série, do ponto de vista hidráulico, com a bomba de circulação. A vazão mínima seria regulada com um by-pass sobre a válvula de regulação, ou fazendo com que a válvula não se feche de todo (contato final de carreira ajustado a 30% aproximadamente). A válvula misturadora (8) e a sonda (5) devem ser montadas o mais próximo possível do acumulador.


Figura 7.9. Circuito de coletores com válvula de mariposa e misturadora progressiva.1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador diferencial con três níveis (progressivo). 5 Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Válvula

de by-pass. 8 Válvula misturadora. 9 Válvula manual. 10 Regulador de temperatura diferencial "tudo ou nada". 11 Sonda de acumulação. 12 Sonda de

coletores. 7.4. MONTAGEM EM SÉRIE E PARALELO DE COLETORES Em instalações de produção de água quente que necessitam de mais de um coletor, estes deverão ser conectados entre si, de diferentes formas, de acordo com a temperatura com a qual se deseja obter a água. Os coletores podem ser conectados em série, em paralelo e em série/paralelo, que é uma combinação dos dois sistemas anteriores, combinando as propriedades de ambos. Para conectar os coletores em série, são colocado um na seqüência do outro, unindo as saídas de um às entradas do outro. Desta maneira, a temperatura de trabalho de cada um deles vai aumentando progressivamente, diminuindo ao mesmo tempo o rendimento a que trabalham os coletores: por isso, não devem ser conectados mais de seis coletores em série. Para dispor os coletores em paralelo, unem-se as entradas de água fria de todos eles a um conduto geral de água fria, e as saídas de água quente de todos os coletores a um conduto geral de água quente, que conduz esta ao acumulador. Em uma instalação em paralelo, praticamente todos os coletores trabalham à mesma temperatura e, portanto, com o mesmo rendimento. Em instalações que necessitam de um grande número de coletores, estes são dispostos em um número suficiente de séries conectadas em paralelo. Para regular a vazão de maneira que todos os coletores trabalhem à mesma temperatura se dispõe válvulas reguladoras às entradas destes.


8. – CLIMATIZAÇÃO DE PISCINAS 8.1. TIPOS DE COLETORES Existem diversos tipos de coletores destinados ao aquecimento ou climatização de piscinas. Distinguem-se duas tipologias: coletores convencionais (deles se falou anteriormente) e coletores sem cobertura, dos quai se falará a seguir. Os coletores sem cobertura são constituídos pela placa absorvedora sem nenhum outro elemento. Isto é possível porque trabalham a temperatura muito baixa e quase não possuem perdas térmicas. Este tipo de coletores incorpora no processo de fabricação substâncias que os protegem da tendência natural dos plásticos para degradarem-se sob a ação dos raios ultravioletas. Trata-se de aditivos como os utilizados nos cabos de telefones contra a intempérie, que tornam o polímero opaco à luz ultravioleta, evitando sua penetração sob a superficie, onde ocorre a degradação. Também levam outros aditivos para preservá-los contra os agentes químicos utilizados na purificação da água das piscinas. Os coletores, por não serem rígidos, necessitam de um bastidor, ainda que também possam ser colocados diretamente sobre o telhado ou cobertura de qualquer tipo, ou inclusive em terra, já que por serem flexíveis absorvem as pequenas irregularidades da superficie sobre a qual descansam. Outra vantagem deste tipo de coletores é sua aceitável resistência às possíveis geadas noturnas.

Figura 8.1. Secção de um coletor de propileno extruído, especialmente desenhado para piscinas. Os finos canaletes que constituem o absorvedor

concorrem para um tubo muito maior na parte superior do coletor.


8.2. CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO Este tipo de instalações é definido especialmente pelo seguinte:

- As piscinas descobertas somente devem ser aquecidas com energias renováveis, a não ser que se trate de questões terapêuticas ou de piscinas cobertas. - As piscinas cobertas devem cumprir determinadas condições de temperatura (inferior a 25ºC), de umidade ambiente, e de renovações de ar e de água.

As aplicações de cada piscina são condicionantes importantes na hora de escolher sua regulação, seu consumo energético e o sistema de calefação mais adequado. Para piscinas descobertas de pequenas dimensões que funcionam exclusivamente durante uma época do ano, é conveniente uma instalação simples, composta por coletores de borracha tipo propileno, funcionando sem acumulador, já que este é a própria piscina, e sem intercambiador, já que tal material resiste bem às corrosões do cloro ou do sal. Esta é a instalação mais econômica. Uma piscina coberta que se pode utilizar em qualquer época do ano e a qualquer hora, exige um depósito acumulador e intercambiador, sendo os coletores igualmente utilizados para o aquecimento de água sanitária. 8.3. CÁLCULO DA SUPERFÍCIE COLETORA A finalidade desejada ao instalar um sistema de coletores solares é a de obter um aumento de temperatura com o fim de prolongar o uso das piscinas e facilitar uma temperatura de banho mais agradável, a qual se poderia considerar como ideal ao redor dos 27ºC. Desta maneira, o objetivo que seguiremos ao basear nossas hipóteses será o de conseguir fazer com que a temperatura da água durante o mês de setembro seja de 27ºC. Hipoteticamente, podem ocorrer casos particulares nos quais o uso da piscina se prolongue em outras épocas menos favoráveis do ano. Por exemplo, se o favorecimento do clima permite que a piscina seja utilizada de abril a outubro, se considerará um ou outro mês (o mais desfavorável climatologicamente) para dimensionar a superfície coletora. Em caso contrário, em outras hipóteses, é normal que a piscina esteja em serviço somente durante os meses de julho e agosto, no caso de zonas com climas mais duros, motivo pelo qual o objetivo será atingir os 27ºC durante estes meses. Um dimensionamento que assegure uma temperatura de 27ºC em setembro, possibilitará, caso os coletores solares se mantenham em pleno rendimento durante julho e agosto, que a temperatura da água suba acima deste valor,


coisa não desejável. Para evitá-lo, se deverá anular a circulação através do circuito dos coletores sempre que seja necessário, e inclusive, fazê-los funcionar de noite para ter uma perda de energia líquida e conseguir assim esfriar a piscina. O principal problema no caso das piscinas é o das diversas maneiras pelas quais a água sofre muitas perdas térmicas. Tais perdas se produzem por:

- Radiação para a atmosfera, sobretudo à noite. - Evaporação da água da superfície. - Convecção decorrente do atrito do ar com a superfície da água. Ainda que as perdas possam ser negativas se o ar se encontra a uma temperatura superior a 27ºC. - Condução através do fundo e das paredes laterais da piscina, apesar de serem mínimas.

8.4. USO DA MANTA TÉRMICA É bem adequado cobrir a superfície da piscina durante a noite com uma manta isolante de plástico. Desta forma, as perdas por evaporação são anuladas e as de radiação e convecção são reduzem muito consideravelmente. Existem no mercado diversos tipos de mantas para piscinas. As mais simples são fabricadas de plástico transparente com bolhas de ar, similar às lâminas utilizadas para envolver objetos delicados em embalagens. Para maior comodidade, costuma-se recolher a manta, enrolando-a ao redor de um eixo situado em uma das laterais da piscina. Outra vantagem adicional da manta é que, enquanto estiver colocada, evita que a sujeira, folhas e objetos, se depositem na piscina e, ademais, constitui uma medida de segurança para onde haja crianças pequenas que por acidente ou descuido possam cair na água. 8.5. UTILIZAÇÃO DAS TABELAS PARA O CÁLCULO DAS PERDAS DE CALOR A seguir, são proporcionadas uma série de tabelas que permitem conhecer as perdas por radiação e evaporação, respectivamente, por cada m2 de piscina. Cada casa destas tabelas é dividida em duas mediante uma linha descontínua. A cifra da parte inferior representa as perdas no caso de utilizar a manta térmica das 8 da tarde até as 8 da manhã seguinte.


Tabela 8.3. Perdas por radiação (MJ/m2) para temperaturas entre 15 e 32ºC. 15 14,6 21 11,4 27 7,9

9,6 7,5 5,1 16 14,1 22 10,8 28 7,3

9,2 7,1 4,7 17 13,5 23 10,3 29 6,7

8,9 6,7 4,2 18 13 24 9,7 30 6

8,3 6,3 3,8 19 12,5 25 9,1 31 5,4

8,2 5,9 3,4 20 12 26 8,5 32 4,7

7,8 5,5 2,9

Tabela 8.4. Perdas por evaporação (MJ/m2). Vento predominante

Grau de umidade

Nulo ou muito fraco

Fraco Moderado Moderadamente forte

Muito seco

7,3 4,4

9,1 5,4

15,1 9,1

21,2 12,7

Seco

6,5 3,9

7,8 4,7

12,5 7,5

17,3 10,4

Médio

5,6 3,4

6,5 3,9

9,9 6

13,4 8

Úmido

4,8 2,9

5,2 3,1

7,3 4,4

9,5 5,7

Muito úmido 3,8 2,8

3,9 2,2

4,8 2,9

5,6 3,4

Deve-se ter em conta que, em setembro, o vento não é demasiadamente forte; para este fato, na maioria dos casos, é suficiente utilizar as tabelas referentes a um vento muito fraco ou fraco.


9. – OUTRAS APLICAÇÕES. SISTEMAS DE CALEFAÇÃO

9.1. ELEMENTOS BÁSICOS PARA UMA INSTALAÇÃO DE CALEFAÇÃO Os componentes básicos comuns para uma instalação de calefação são:

- Coletores solares. - Sistema circulatório. - Regulação e segurança. - Acumuladores. - Líquido portador de calor. - Acessórios. - Tubulações. - Regulação. - Intercambiadores. - Fixações. - Isolamento térmico. - Bombas.

Outros componentes que dependerão do tipo de método escolhido são:

- Solo radiante - Aeroconvectores - Radiadores

Figura 9.1 Sistema de calefação. 1 Captadores solares. 2 Depósito AQS. 3 Depósito de calefação. 4 Válvula distribuidora. 5 Bomba. 6 Distribuidor de

calefação. 7 Serpentina.


9.2. CÁLCULO E DIMENSIONAMENTO DAS INSTALAÇÕES Serão detalhados os tipos de calefação que se preveja alimentar com energia solar, tendo especial cuidado em determinar as temperaturas de trabalho nominal. Para o cálculo das necessidades se deverá ter em conta e determinar os dados seguintes:

- Sistema de calefação e temperatura de trabalho nominais. - Graus dia de calefação (caso se trate de calefação de locais). - Demanda térmica necessária.

As necessidades de calefação serão apresentadas em forma de tabela mensal e anual com o fim de estabelecer, juntamente com a demanda de A.Q.S., as necessidades totais nos períodos respectivos. Como norma geral, o sistema de calefação a empregar com energia solar, será aquele que permita trabalhar com a temperatura mais baixa. A utilização de intercambiadores e circuitos de calefação diferentes do de energia solar comporta, de entrada, uma perda de rendimento da instalação. Cada sistema de calefação determinará algumas características de funcionamento e uma regulação específica da calefação e dos acoplamentos da energia solar e de suporte. 9.2.1. CALEFAÇÃO PARA SOLOS RADIANTES Este sistema está baseado em proporcionar a máxima superfície de transmissão de calor, baixando ao mínimo a temperatura nominal de trabalho. É o sistema de calefação mais apropriado para a aplicação da energia solar por:

- Seu baixo nível de temperatura necessário. - Sua melhor estratificação de temperatura nos locais a aquecer. - Proporcionar aumento do conforto com a radiação de calor a baixa temperatura. - Diminuir as necessidades, ao evitar pontos e zonas superaquecidas. - Proporcionar a possibilidade de permitir o aquecimento direto com o primário solar sem intercambiador.

Com respeito à orientação, deve-se ter em conta nossa situação no planeta. Em nosso caso, o fato de viver no hemisfério norte, situa o sol em nosso sul. Portanto, para obter um máximo rendimento, nossas placas estarão orientadas para o sul; não obstante, não devemos nos preocupar excessivamente com a precisão, pois, inclusive com uma variação de até 25º, obteremos mais de 90% da radiação total. No caso da inclinação que será dada a nossos coletores, esta dependerá do tipo de utilização da instalação (todo o ano, inverno ou verão). Evidentemente,


com a inclinação dos captadores busca-se fazer com que a radiação chegue o mais perpendicular possível, para evitar fenômenos de reflexão. O fato do sol variar continuamente sua posição faz pensar que nossa instalação deva segui-lo da mesma maneira, o que é desaconselhável por não compensar termicamente - o solo atua como auto-regulador de temperatura ambiente e acumulador de energia térmica solar. Este tipo de calefação permite o aquecimento de locais com muita altura e de pistas ao exterior, minimizando as perdas térmicas pelo aquecimento do ar. 9.2.2. CALEFAÇÃO COM AERO-CONVECTORES A incorporação da circulação forçada do ar em um emissor de calor de aletas permite melhorar a transmissão de calor no ar e baixar a temperatura do líquido de calefação. Este sistema é apropriado para o aquecimento com muito baixa inércia térmica e de resposta rápida. O dimensionamento dos aeroconvectores permitirá a utilização da energia solar nas melhores condições. 9.2.3. CALEFAÇÃO COM RADIADORES CONVENCIONAIS A transmissão de calor ao ambiente se realiza por convecção natural e, portanto, as baixas temperaturas de emissão reduzem de forma considerável sua potência. Não é um sistema recomendado para a energia solar, mas não torna impossível seu uso. Os níveis de cobertura solar alcançáveis com sistemas de calefação com radiadores serão inferiores aos obtidos aplicando outros sistemas de calefação mais apropriados, de baixa temperatura de líquido de calefação.

1. – O SOL · ... que o Sol é a fonte última da energia solar, ... compreendida entre os 0,38 e...

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