ER2 STA 03 Sistemas Solares Termicos

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CET Energias Renováveis - Energias Renováveis II

Módulo Energia Solar Térmica e Aplicações

Formador: Nuno Monteiro – [email protected]

1. Descrição de um Sistema Solar Térmico

2

2

3

Sistema Solar Térmico

� Representação esquemática de um Sistema Solar Térmico para

produção de água quente:

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� A ligação e transferência de calor entre a área de captação e o

depósito é efectuada por um circuito hidráulico denominado

circuito primário, sendo o fornecimento de energia para o

consumo efectuado por um circuito denominado circuito

secundário.

3

5


� O funcionamento entre o sistema solar e o equipamento de apoio,

implicam o cumprimento de alguns princípios básicos na

instalação: equipamento de apoio na parte superior do depósito.

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� Muito importante: nunca colocar apoio na base do depósito

(perigo de mistura da energia solar com a energia convencional)

4

7


� Se a instalação for constituída por dois depósitos ligados em série,

o apoio deve sempre ser ligado ao segundo depósito (parte

superior) por forma a estar sempre garantida a prioridade ao Sol.

2. Tipos de Sistemas Solares Térmicos

8

5

9

Tipos de Sistemas Solares Térmicos

� Quanto ao tipo de circulação do fluido

� Sistemas Integrados

� Sistemas em termossifão

� Sistemas de circulação forçada

� Quanto ao tipo de fluido térmico

� Sistemas directos

� Sistemas indirectos

� Quanto à pressão de funcionamento

� Sistemas abertos

� Sistemas fechados

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� Sistemas Integrados

� Depósito que serve de colector e de armazenamento

� Perdas elevadas no período nocturno

6

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� Funcionam por convecção natural: circulação natural do fluido

térmico com base na diferença de densidades entre o fluído frio e

o fluído quente;

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� Utilização: AQS – Águas Quentes Sanitárias

� Vantagens:

� Circulação auto-regulada

� Sem consumos associados

� Simplicidade e menos custos na instalação

� Desvantagens:

� Elevada sensibilidade a perdas de carga

� Caudal regulado por radiação

7

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� Cuidados a ter na instalação:

� Risco de circulação inversa

durante a noite ou em locais

de frio predominante:

colector seria um dissipador

de energia!

� Para o evitar, convém que

haja um desnível de 15 a 30

cm entre o topo do colector e

a base do depósito.

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� Ideais para países ou regiões quentesbaixo risco de congelamento, sobretudoem instalações pequenas (150l, 200l,300l);

� Sem bomba/controlador e semnecessidade de energia auxiliar;

� Na União Europeia devem cumprir aNorma EN 12796;

� As tubagens com menor cumprimentopossível;

� O reservatório deverá situar-se, pelomenos, 15cm acima do colector.

8

15



� Utilização: AQS – Águas Quentes Sanitárias; AQP – Água Quente

de Processo (indústria)

� Depósito não tem de estar colocado a

um nível superior ao colector

(permite a separação entre os

colectores e o depósito)

� Necessitam de uma bomba

circuladora.

� Possuem um controlador diferencial

para arranque da bomba

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� Sistemas de circulação forçada – controlo diferencial

� O controlo diferencial compara as temperaturas entre o ponto

mais quente e o ponto mais frio do Sistema Solar Térmico.

� O arranque da bomba de circulação quando T1-T2 > 5-6ºC

� Paragem da bomba sempre que T1 – T2 < 2ºC

Desta forma garante-se umefectivo ganho energéticono funcionamento doscolectores.

9

17



� Vantagens:

� Possibilidade de regulação de caudal

� Flexibilidade na instalação do circuito primário (médias e

grandes instalações)

� Menores perdas no armazenamento

� Desvantagens:

� Necessitam de sistema de controle

� Apresentam consumos eléctricos

� Instalação mais dispendiosa

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� Sistemas directos e sistemas indirectos

� Nos sistemas directos a água potável que é utilizada no edifício

percorre o painel solar (a água, dado poder ser consumida, não

pode ser tratada).

� Nos sistemas indirectos os circuitos do painel solar e das águas

sanitárias são distintos. É possível efectuar o tratamento da água

que circula no painel tendo em vista a preservação dos

equipamentos (uso de inibidores, uso de anticongelante, regulação

do pH da água).

10

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� Sistemas directos

� Fluido que circula nos colectores é a água deconsumo!

� Vantagens:

� Fácil instalação

� Eficiência de permuta térmica=1

� Sistema económico

� Desvantagens:

� Problemas de congelamento

� Problemas de corrosão (depósitos calcários)

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� Utilizam um permutador entre o colector e o depósito.

11

21



� Vantagens:

� Utilizam fluido anti-congelante

� Reduzido risco de corrosão

� Desvantagens:

� Eficiência térmica <1

� Instalação mais cuidada

� Mais caros

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� Sistemas abertos

� Os circuitos abertos possuem um recipiente de superfície livre no

ponto mais alto do circuito solar, que permite absorver a

expansão volumétrica do líquido causada pelo aumento da

temperatura.

� A pressão em sistemas abertos corresponde no máximo à

pressão estática da coluna de líquido.

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� Sistemas fechados

� Os sistemas fechados funcionam com pressão elevada (1,5 a 10

bar) o que influência as propriedades físicas (tais como a

temperatura de evaporação) do fluído de transferência térmica;

� No caso de sistemas fechados são necessários dispositivos de

segurança especiais (vaso de expansão e válvulas de segurança);

3. Componentes dos Sistemas Solares Térmicos

24

13

25

Componentes: Permutadores

� Tipos de permutadores

� Externo: É um componente independente do depósito de

armazenamento.

� Pouco comum em pequenas instalações. Utilizam-se

permutadores de placas em grandes instalações

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� Permutadores de placas: Utilizam-se para grandes volumes (>

3000 l). Apresentam elevada eficiência (>75%), devido ao

funcionamento em contra-corrente.

� São modulares podendo acrescentar-se placas consoante

necessidades futuras;

14

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� Tipos de permutadores

� Interno: O permutador encontra-se no interior do depósito de

armazenamento.

� A solução mais comum em pequenas instalações. Podem ser de

serpentina ou tipo camisa.

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� Permutadores de serpentina: Utilizam-se para pequenos e

médios volumes. Os mais comuns.

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Componentes: Depósito de Armazenamento

� A energia fornecida pelo sol não pode ser controlada e raramente

coincide com a variação das necessidades de energia térmica.

� Desta forma é necessário armazenar o calor solar gerado para ser

utilizado quando necessário.

� O armazenamento de energia térmica é feito sob a forma de

água quente no interior de um depósito isolado, para evitar as

perdas.

� Podem ser em aço esmaltado ou revestido interiormente a

plástico para protecção contra corrosão.

� Em alternativa, existem depósitos em aço inoxidável, de custo

mais elevado.

30


� Depósitos de serpentina simples: Têm como função apenas a

acumulação de calor.

� Depósitos de serpentina dupla: Têm como função a acumulação

de calor e também o aquecimento da água de consumo até à

temperatura pretendida.

16

31


� Principais características de um tanque de armazenamento solar

standard para produção de AQS:

� Dois permutadores de calor para duas fontes de calor

(bivalente);

� Ligação directa para o reservatório de água fria;

� Pressão de operação do tanque variável entre 4 - 6 bar.

� Devido à variação diária da radiação solar o tanque deve

armazenar a água quente para consumo de pelo menos dois dias;

� O volume deverá ser de 50 a 70 litros por pessoa.

32


� Tanques de armazenamento solar para produção de AQS:

17

33


� Tanques de grandes dimensões podem armazenar grandes

quantidades de energia, contudo no caso de superfícies dos

colectores reduzidas, aumenta a frequência de utilização do

sistema de apoio porque o nível de temperatura no tanque é

menor que para um tanque de dimensões inferiores.

� Para o sector doméstico os tanques standard têm uma

capacidade de 300 a 500 litros.

� No caso dos tanques de armazenamento servirem de depósito de

água potável a temperatura deve ser limitada até cerca de 60ºC,

dado que o calcário precipita a altas temperaturas, podendo

bloquear a superfície do permutador de calor.

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� Estratificação Térmica

� Devido à variação diária da radiação solar o tanque deve

armazenar a água quente para consumo de pelo menos dois dias;

� O efeito de estratificação é uma condição fundamental para o

bom funcionamento do sistema solar;

� Com a extracção de água quente para

utilização, e com entrada de água fria no

tanque, têm de se criar condições para que

esta não misture com a água quente, devendo

manter-se uma boa estratificação térmica;

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� Pretende-se:

� Temperatura mais baixa na entrada dos colectores

(normalmente na base do depósito)

� Temperatura mais elevada possível para consumo

� Redução da mistura entre a água da rede introduzida no

depósito e a água quente neste contida

� Para criar essas condições, os tanques devem ter uma estrutura

vertical, sendo a razão altura-diâmetro recomendada de pelo

menos 1,75:1.

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� Placa deflectora na entrada de água fria: Este acessório impede a

mistura por turbulência da água fria que entra com a água mais

quente nas camadas superiores, impedindo portanto a destruição

parcial da estratificação térmica.

19

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� O permutador do circuito solar deve-se encontrar o mais baixo

possível, por forma a que dentro do tanque se possa aquecer a

água desde a base.

� O posicionamento do permutador adicional, na área superior do

tanque, garante um aquecimento rápido do volume em espera

(requisito diário), sem retirar ao circuito solar a possibilidade de ser

capaz de armazenar energia na área fria do tanque.

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� Isolamento dos tanques de armazenamento:

� Um bom isolamento térmico é importante para a eficiência dum

tanque. Este deve ter uma espessura de 10 cm nos lados e uma

espessura de 15 cm no topo e na base do tanque.

� Deve estar bem ajustado ao tanque (de outra maneira haveria

perdas por convecção)

� Deve ser feito em materiais com condutividades térmicas de

λ< 0,035 W/mºC.

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Componentes: Circuito solar

� O calor gerado nos colectores é transportado para os tanques dearmazenamento solar, através do circuito solar.

� Este é constituído pelos seguintes elementos:

� Tubagens: permitem a ligação dos colectores aos tanques dearmazenamento que muitas vezes são instalados na cave.

� Fluido de transferência térmica: transporta o calor do colectorpara o tanque de armazenamento;

� Bomba de circulação: faz circular o fluído de transferênciatérmica no circuito solar;

� Acessórios: vaso de expansão e válvula de segurança queprotegem o sistema de danos devido à expansão do fluídotérmico. Acessórios para enchimento e drenagem.

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� Tubagens

� Os materiais mais utilizados, em instalações solares térmicas são Ocobre, o aço inox, o aço galvanizado, o aço negro e os materiaisplásticos (PEX).

� Para o transporte de calor em condutas entre o colector e o tanqueo cobre é o material mais utilizado, por ser tecnicamente adequadoe economicamente competitivo.

� O cobre resiste à corrosão, tanto dos líquidos que circulam no seuinterior como dos agentes exteriores;

� A sua maleabilidade e ductilidade permitem uma cómodamanipulação e uma grande facilidade para realizar traçadoscomplicados.

21

41


� Tubagens (cobre)

� Apresenta a vantagem de ter menos perdas de carga em linha,

permitindo o uso de diâmetros menores.

� Em contraposição com o cobre não é aconselhável fazer dobragens

no aço inox, o que implica a utilização de acessórios que

aumentam as perdas de carga.

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� Tubagens (aço galvanizado)

� Utilizado para A.Q.S. a temperaturas inferiores a

50ºC;

� A sua utilização tem vindo a diminuir, pois com o

aumento do custo da mão de obra deixa de ser

competitivo Gama completa de acessórios para

montagem rápida;

� Tubagens (aço negro)

� Não deve ser utilizado para transporte de água no

circuito secundário pelo facto de sofrer oxidações;

� No circuito primário mas só para grandes caudais;

22

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� Tubagens (materiais plásticos)

� Na escolha dos materiais a utilizar deve ser considerado:

� Corrosão e corrosão galvânica, na junção de diferentes materiais;

� Temperatura, que no primário pode exceder os 100ºC

(estagnação);

� Pressão do circuito e rugosidade (perdas de carga).

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� Isolamento das tubagens

� Em tecnologia solar a tubagem deve ter um isolamento térmico

que permita uma eficiência elevada, sendo de referir que para

tubagens de cobre até 18 mm deve haver no mínimo 30 mm de

espessura de isolamento;

� Para dimensões superiores um mínimo de 40 mm.

� O material de isolamento usado deve ter uma condutividade

térmica de K ≤ 0,035 W/mºC.

23

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� Bombas de circulação

� Quando a circulação por termossifão não é possível, ou porque os

colectores estão colocados a um nível superior ao do depósito, ou

porque a diferença de densidades não é suficiente para vencer a

resistência do atrito nas tubagens, recorre-se à circulação forçada

do fluído por intermédio de uma bomba.

� Apesar de mais caro, é um sistema mais eficiente que o

termossifão.

� A bomba é controlada por um controlador por ΔT;

� Caudal e velocidade de transferência controláveis;

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� Instalam-se em linha com a tubagem:

� Com o eixo do motor na horizontal e com acaixa de ligações eléctricas acessível (paracima ou para o lado), respeitando o sentido dofluxo indicado.

� Instalam-se na parte mais baixa do circuitohidráulico:

� No tubo de ida para os colectores (circuitoprimário);

� No tubo de ida para o permutador (circuitosecundário);

� Sempre entre válvulas de seccionamento semmanípulo.

24

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� Controlador Térmico Diferencial: tem como função principal a

activação da bomba de circulação do circuito solar/primário quando

existe um diferencial de temperatura , entre o reservatório e o fluido

térmico.

� Um sensor mede a temperatura do circuito solar à saída dos

coletores, onde é atingida a maior temperatura;

� Outro sensor mede a temperatura no interior do tanque, à altura

do permutador de calor.

� Sendo estes valores comparados pelo CTD que reage de acordo com

os parâmetros pré-estabelecidos.

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� Controlador Térmico Diferencial

� ΔT arranque: T1 – T2 > 5 – 6ºC

� ΔT paragem: T1 – T2 < 2ºC

25

49


� Fluido de transferência de calor

� Normalmente, resulta da mistura de água

com um líquido que apresenta propriedades

anticongelantes.

� Não se deve degradar com a temperatura.

� Deverá ter propriedades que previnam a

corrosão das tubagens.

� A diluição do anticongelante na água de

circulação primária relaciona-se com a

temperatura mínima no local de instalação.

� É comum utilizar o propilenoglicol.

50


� Vaso de expansão

� Deve ser instalado no sistema de tubagem no

circuito de alimentação do colector, para

absorver a dilatação do fluído, relacionada com o

aumento de temperatura.

� O reservatório de expansão é um recipiente de

metal fechado. No meio do tanque uma

membrana flexível separa dois meios: um gás a

uma determinada pressão e o fluído de

transferência térmica.

26

51



� O tamanho do recipiente de expansão deve ser suficiente para a

quantidade de fluído no circuito solar.

� Existem recipientes de expansão disponíveis em tamanhos standard

de 10, 12, 18, 25, 35 e 50 l.

� Deve ter-se em atenção que nem todos os vasos de expansão têm

uma membrana que resiste ao glicol, o que é fundamental para

aplicações de energia solar.

52



27

53


� Válvula de segurança

� Servem para limitar a pressão dos circuitos;

� Têm de ser operadas periodicamente para não bloquearem;

� São obrigatórias por lei em todos os circuitos submetidos a

pressão e a variações de temperatura;

� No circuito primário colocam-se junto ao vaso de expansão;

� Deve assegurar-se que nenhuma outra válvula impede o

funcionamento de uma válvula de segurança;

� No caso de haver vários depósitos deverá garantir-se uma

válvula de segurança em cada um.

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� Válvula de segurança

� A pressão de regulação deve ser inferior à pressão máxima que

possa suportar o elemento mais delicado do circuito.

28

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� Válvula de retenção

� Permite a passagem do fluído num sentido, impedindo-a em sentido

contrário.

� Utilizam-se por exemplo:

� Na entrada de água fria dos depósitos;

� Nos sistemas em termossifão (mas apenas válvulas com perda de

carga associada muito baixa).

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� Válvula misturadora termostática

� Permite a mistura de água fria da rede com a água quente do

depósito para uma dada temperatura regulada, pretendida para o

consumo.

� Possibilita extracção de maiores volumes de água;

� Promove a utilização racional de energia.

29

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� Purgadores de ar: Servem para eliminar o ar do circuito no

enchimento e no arranque do sistema;

� Deve existir a montante uma válvula de corte para impedir as fugas

por vapor durante o normal funcionamento do sistema.

58


� Separadores de microbolhas: são utilizados para eliminar de forma

contínua o ar contido nos circuitos hidráulicos das instalações de

climatização ou solares.

� A capacidade de descarga destes dispositivos é muito elevada.

Conseguem eliminar todo o ar presente nos circuitos, até ao nível de

microbolhas, de forma automática.

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� Separadores de microbolhas: são utilizados para eliminar de forma

contínua o ar contido nos circuitos hidráulicos das instalações de

climatização ou solares.

� A capacidade de descarga destes dispositivos é muito elevada.

Conseguem eliminar todo o ar presente nos circuitos, até ao nível de

microbolhas, de forma automática.

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� Estação solar: em instalações domésticas, é comum a utilização das

estações solares, que integram alguns dos componentes referidos

num conjunto compacto.

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4. Regras Básicas de Instalação de Sistemas Solares Térmicos

61

62

Regras básicas de uma instalação

� Tipos de ligação dos colectores possíveis:

� Ligação em série

� Ligação em paralelo de canais

� Ligação em paralelo com retorno invertido

� Ligação em paralelo com alimentação invertida

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� Ligação em série:

� Caudal de circulação é igual em todos os colectores

� Apenas o 1º colector recebe fluido térmico à temperatura mais

baixa

� Colector seguinte recebe fluido pré-aquecido por colector anterior

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� Ligação em paralelo de canais:

� Caudal de circulação é igual em todos os colectores

� Todos os colectores recebem fluido térmico à temperatura mais

baixa

33

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� Ligação em paralelo com retorno invertido:


baixa

� É necessário garantir equilíbrio hidráulico (caudal de circulação

igual em todos os colectores)


� Ligação em paralelo com alimentação invertida:


baixa

� É necessário garantir equilíbrio hidráulico

� Situação mais favorável em relação à anterior (menor traçado de

circulação da água quente)

34

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� Equilíbrio hidráulico:

� A última bateria de colectores a ser alimentada é a primeira bateria

a devolver o fluido (quente).

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� A distribuição e ligação dos colectores deve assegurar o equilíbrio

hidráulico da instalação, prevenindo a penalização do rendimento:

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� É recomendável montar as fileiras de colectores com uma ligeira

inclinação (levantar aproximadamente 2 mm por cada metro de

comprimento), para facilitar a saída das bolsas de ar, aquando do

enchimento do circuito.

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� Ligações entre colectores - Perdas de carga

� Analogia electricidade – hidráulica: Um método simples e rápido

para entender o que se passa numa bateria de colectores é

usarmos a analogia da hidráulica com a electricidade.

36

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� Ligações entre colectores - Perdas de carga

� A perda de carga total num campo de colectores depende de:

� Geometria dos colectores:

� Se a ligação for em série, a perda de carga total é a soma das perdas de

carga parciais de cada colector.

� Se a ligação for em paralelo a perda de carga total é a mesma que a

perda de carga de cada colector.

� Quantidade de anticongelante do fluido de transporte:

� Se a mistura for 70% de água-30% de anticongelante, o acréscimo de

perda de carga é de 70% a 90% superior relativamente à água.

4. Resumo de propriedades térmicas do colector

72

37

73

Estudo energético do colector

� Como foi referido na apresentação anterior, o colector solar é uma

maquina térmica submetida a condições de trabalho muito

diversas, já que a radiação solar oscila ao longo do dia e de um dia

para o outro, em função da nebulosidade e da época do ano.

� Para estudar o comportamento do colector, assumem-se condições

estacionárias, isto é, valores constantes para todos os parâmetros.

� Vai considerar-se um colector imóvel, recebendo a radiação solar

uniformemente repartida e de forma constante, pelo qual circula o

fluido térmico com um caudal determinado.

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� O balanco energético de um colector:

� Pi � Potência incidente total;

� Pu � Potência útil recolhida pelo fluido térmico;

� Pp � Potência perdida por dissipação para o exterior.

i u pP P P= +

38

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� Estudo Energético do Colector

� Temos:

� Sendo:

� Logo:

u i pP P P= −

( )p L c aP A U t t= × × −i gP A I= × × τ×α

[ ( )]u g L c aP A I U t t= × × τ×α − × −

• A � Sup. do coletor - corresponde à área de abertura transparente (m2);

• Ig � Radiação Global incidente sobre o coletor por unidade de área;• τ � Transmitância da cobertura transparente;• α � Absortividade do absorsor;• UL � Coeficiente global de perdas;

• tc � Temperatura média da placa absorsora ( ºC );• tf � Temperatura média do fluido ( ºC );

• ta � Temperatura ambiente ( ºC ).

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� A temperatura média da placa absorvente tc não pode calcular-se

de forma simples, mas pode conhecer-se com suficiente exactidão

a temperatura tf do fluido térmico no colector;

� Uma forma simples de obter esta temperatura é calcular a média

entre a temperatura do fluido à entrada te e a saída ts do colector.

( )

2

e s

f

t tt

+=

39

77



� Se substituirmos a temperatura da placa absorsora tc, em princípio

desconhecida, pela temperatura do fluido tf temos que introduzir

um factor corrector, F’, chamado factor de alheta (ou factor de

irrigação), sempre inferior à unidade e que faz diminuir a potência

disponível. Este factor depende do caudal do fluido e das

características da placa.

� A equação anterior transforma-se em:

´ [ U ( )]u g L f aP F A I t t= × × × τ×α − × −

Equação de Bliss

78


� Os resultados obtidos nos ensaios dos colectores apresentam-se

como o rendimento do colector, η, definido pela relação entre a

energia captada e a recebida:

� Substituindo P pelo seu valor na equação de Bliss:

( )

u

g

P

A Iη =

×

( ) ( )´ ´ Uf a

L

g

t tF F

I

−η = τ×α − × ×

40

79


� Para um caudal determinado e com (ta) e UL constantes, a equação

desta curva característica do colector pode assemelhar-se com

bastante exactidão a uma recta.

80


� Por aqui se vê que o rendimento do colector diminui à medida que

a temperatura media do fluido (Tf) sobe.

� Quando T* é nulo (a temperatura média do fluido é igual à

temperatura ambiente) o rendimento designa-se por rendimento

óptico.

� Quando a temperatura de saída for igual à temperatura de

entrada, o rendimento é nulo e o colector atinge a temperatura de

estagnação .

41

81


� Estas curvas características determinadas por meio de ensaios em

laboratórios acreditados, devem ser fornecidas pelo fabricante e a

partir delas podemos deduzir a qualidade térmica de um colector.

� Coeficientes para os colectores mais habituais do mercado:Características

Tipo de Coletor

Não Seletivo 0.7-0.8 8-9

Seletivo 0.7-0.8 4.5-6

CPC 0.75 4.2/3.7*

( )´F τ× α ( )( )2´ / ºLF U W m C×

82


� Como regra geral deve escolher-se o colector de acordo com a

temperatura de utilização pretendida, de forma a que o seu

rendimento seja normalmente acima dos 40 %.

42

5. Dimensionamento de Sistemas Solares Térmicos

83

84

Condições de funcionamento: localização e consumos

� Localização

� Necessidade de identificação de dados climáticos existentes

(base de dados dos Programas de Cálculo associados ao

dimensionamento, ex: programa SolTerm)

� Espaço disponível

� Orientação

� Necessidade de estruturas de suporte

43

85

Condições de funcionamento: localização e consumos

� Consumos

� Temperatura de consumo: determina o tipo de colector a utilizar

� Perfil de consumo: constante (pré-aquecimento industrial);

variável (produção de água quente sanitária e aquecimento

ambiente); necessidade ou não de utilização de depósito de

armazenamento

� Necessidades energéticas a satisfazer: volume de água quente

necessária ao consumo e temperatura necessária ao consumo

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Dimensionamento de sistemas de AQS

� Dimensionamento de sistemas de AQS

� Regra geral, o projecto de sistemas de energia solar para

aquecimento de água sanitária para habitações com uma ou duas

famílias tem o objectivo de fornecer a energia necessária para

aquecimento de água sanitária a 100% durante os meses de Maio a

Setembro, através do sistema de energia solar.

� Nos meses restantes, o sistema de aquecimento auxiliar fornece o

calor necessário que não é fornecido pelo Sol.

44

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� Fracção solar

� A fracção solar é descrita como a taxa de calor produzida pelo

sistema solar no cômputo geral da energia total requerida para

aquecimento de água quente.

� FSOL - fração solar (%);

� QS - produção de calor solar (kWh);

� Qad - aquecimento auxiliar necessário (kWh).

1 0 0SS O L

S a d

QF

Q Q

= ×

+

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� Fracção solar

� Uma elevada fracção solar dum sistema de energia solar

corresponde a menores necessidades de energia não renovável

necessária para aquecimento auxiliar.

� No caso extremo (Fsol=100%) apenas é consumida energia solar.

� Na figura seguinte apresenta-se a fracção solar mensal para um

sistema solar térmico.

� Verifica-se que no caso de 100% de fracção solar durante os meses

de maior disponibilidade de radiação, desde Maio até Agosto,

permite que esteja disponível uma fracção anual de

aproximadamente 60%.

45

89


� Fracção solar

� Um aumento na fracção, (através do aumento da superfície de

colectores), conduz a um excesso de energia disponível para os meses

de Verão. Nesse caso, não só haveria uma resistência térmica elevada

nos colectores (estagnação), mas também uma baixa eficiência do

sistema (custos adicionais mais elevados do que a produção adicional).

90


� A eficiência do sistema representa a taxa da produção de calor

solar, para a irradiação solar global na superfície do absorsor,

relativamente a um dado período de tempo, (um ano).

� ES - eficiência do sistema (%);

� QS - produção anual de calor solar (kWh/a);

� Ig - irradiação solar (kWh/m2a);

� A - área da superfície absorsora (m2).

1 0 0SS

g

QE

I A

= × ×

46

91


� A eficiência descreve o desempenho do sistema, ou seja, se a área dasuperfície do absorsor e a irradiação forem dados conhecidos e aprodução de calor solar for medida a eficiência do sistema pode serdeterminada.

� Exemplo:

� Área da superfície do absorsor = 6 m²;

� Ig = 1.000 kWh/m²a;

� Qs = 2.100 kWh/a.

� Se a fracção solar for aumentada, pelo aumento da área da superfície docolector, a eficiência do sistema é reduzida e toda a energia que forganha será mais cara.

2

2 2

2 .1 0 0 /1 0 0 = 3 5 %

1 .0 0 0 / 6 S

kW h m aE

kW h m a m

= ×

×

92


� Este comportamento das duas variáveis é visível no gráfico

seguinte:

47

93


� Determinação do consumo de água quente

� O consumo de água quente Vaq é a variável chave para o

planeamento do sistema e, se não é possível avaliar o consumo,

deve ser efectuada uma estimativa, o mais aproximada possível.

� O conhecimento, e em certas circunstâncias, a determinação,

através de medições, do consumo de água quente ou o perfil dos

utilizadores são significativos durante o planeamento de sistemas

de energia solar de grandes dimensões.

94


� Determinação da superfície dos painéis solares com base nos

dados médios predefinidos:

48

95


� Como exemplo prático assume-se um valor médio de consumo de

água quente de 50 l por pessoa por dia (45ºC) e a existência de

uma aplicação do sistema solar para alimentar a máquina de lavar

loiça e a máquina de lavar roupa (em média estas máquinas são

utilizadas duas vezes por semana consumindo 16 litros por dia).

� Desta forma, e tendo em conta as diferentes temperaturas de

água quente, o consumo de água quente diário é calculado da

seguinte forma:

( ) ( ) ( )4 5 0 4 5 º +1 6 4 5 º = 2 1 6 / 4 5 ºaqV p esso a s l C l C l d ia C= × ×

96


� O calor necessário Qaq pode ser determinado através do consumo

de água quente de acordo com a seguinte equação:

� Vaq - volume médio de água quente em (l ou kg);

� CH2O - calor especifico da água (1,16 Wh/kg);

� ΔT - diferença de temperatura da água (ºC).

2a q a q H OQ V C T= × × ∆

49

97


� Para o exemplo anterior o calor diário necessário para aquecer

216 l de água de 10ºC para 45°C é:

2 1 6 1,1 6 / 3 5 º 8 7 7 0a q

Q K g W h K g C W h= × × ≈

8, 7 7a qQ kW h=

98


� Perdas de calor em tubagens e tanques de armazenamento

� A importância do isolamento térmico é frequentemente

subestimada.

� De seguida apresenta-se uma estimativa para as perdas térmicas:

no circuito solar, na linha de circulação e no tanque de

armazenamento.

� Perdas de calor em tubagens com isolamento

� É possível fazer uma boa estimativa das perdas se considerarmos

somente a condução de calor através do isolamento térmico.

50

99



� As perdas de calor podem ser apresentadas da seguinte forma:

� λ = Condutividade térmica do material isolador (W/m ºC);

� Disol = Diâmetro exterior do tubo isolador em (mm);

� Dtubo = Diâmetro exterior do tubo em (mm);

� ln = Logaritmo natural;

� ΔT = Diferença de temperatura entre o tubo, Ttubo, e o meio ambiente, Tamb

(ºC).

( )2

/ln /

perdas

isol tubo

Q W mD D

π ×λ× ∆Τ=

100



� Exemplo:

� λ= 0,04 W/m ºC (para lã mineral);

� Disol = 54 mm;

� Dtubo = 18 mm;

� T = 30 ºC.

� Assim, Qperdas apresenta o valor:

( )2 0,04 30º

6,9 /ln 54 /18

perdas

W CQ W m

mm mm

π × ×= ≈

51

101



� Com um comprimento total do circuito solar de 20 m e

aproximadamente 2000 horas de operação por ano, isto

corresponde a perdas de calor de:

6,9 / 20 2000 / 276 /tubagem

Q W m m h a kWh a= × × =

102



� Se a linha de circulação for instalada num edifício, perdas

adicionais de calor ou um aumento da necessidade de calor têm

que ser levados em conta. Com uma linha de circulação de 15 m e

um tempo de circulação de bomba de 2 h por dia, as seguintes

perdas de calor podem ser calculadas:

� A soma das perdas de calor:

� Estas perdas de calor correspondem a um acréscimo de 1 m2 de

superfície de colectores planos.

6,9 / 15 2 / 76 /bombaQ W m m h dia kWh a= × × =

276 / 76 / 352 /perdas tubagem bomba

Q Q Q kWh a kWh a kWh a= + = + =

52

103


� Perdas de calor em tubagens sem isolamento

� É possível também estimar as perdas de calor para tubos sem

isolamento. Apresenta-se uma equação simplificada para estimar

estas perdas, que envolvem relações complexas de perdas de calor

por radiação e convecção.

� Esta equação é válida apenas para tubos com diâmetro inferior a

100 mm e temperatura ambiente Tamb = 20°C:

� De notar que a unidade para o diâmetro da tubagem são metros.

( )329,85 0,027 ( / )perdas tubo tubo tubo

Q D T T T W m= + × × × ∆

104


� Perdas de calor em tubagens sem isolamento

� Exemplo:

� Dtubo = 0,018m

� Ttubo = 50°C

� ΔT = 30ºC

� Para o caso em que a tubagem não está termicamente isolada,

surgem perdas de calor que são três vezes maiores em

comparação com a tubagem com isolamento.

( )30,018 29,85 0,027 50º 50º 30º 19 /perdas

Q m C C C W m= + × × × ≈

53

105


� Perdas de calor em tanques de armazenamento

� As perdas de calor no tanque de armazenamento solar aumentam

proporcionalmente com a superfície, A, e a diferença de

temperatura entre o tanque e o meio que o rodeia ΔT:

� Com a ajuda do coeficiente de perdas térmicas K em W/m²ºC

deriva-se a seguinte equação:

� Para tanques de armazenamento o valor de KA é normalmente

dado em W/ºC.

tanP queQ A T≈ × ∆

tan ( )P queQ K A T W= × × ∆

106


� Perdas de calor em tanques de armazenamento

� Exemplo:

� Valor de KA = 1,6 W/ºC;

� ΔT = 30 ºC;

� QPtanque = 1,6 W/ºC x 30 ºC = 48 W.

� Durante um ano este tanque apresenta perdas de calor de:

� No caso acima, as perdas de calor no tanque de armazenamento

correspondem ao ganho solar de cerca de 1,2 m2 da superfície do

colector.

tan48 24 / 365 420 /

P queQ W h d dias kWh a= × × ≈

54

6. Projecto e dimensionamento de componentes dos sistemas

107

108

Projecto de sistemas de AQS

� Iremos em seguida exemplificar três processos diferentes para o

projecto e dimensionamento de sistemas para produção de AQS

em alojamentos unifamiliares:

� Determinação grosseira do dimensionamento com uma

fórmula aproximada (pré-dimensionamento);

� Cálculo detalhado para cada componente;

� Projecto assistido por computador com programas de

simulação (SolTerm).

55

109

Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas

� Com base na experiência acumulada em instalações de sistemas

de energia solar térmica, pode-se efectuar uma estimativa inicial

para os componentes essenciais do sistema, para obter uma

fracção solar de aproximadamente 60% assumindo o seguinte:

� Média de consumo de água quente VAq = 35 a 65 litros (45ºC)

por pessoa por dia;

� Condições de irradiação solar favoráveis (EG = 1.000 kWh/m² a

±10%);

� Alinhamento do telhado – Sudeste para sudoeste, inclinação

até 50º;

� Inexistência de sombra ou sombra muito pequena.

110


� Superfície de colectores

� 1,5 m² de área de colector plano por pessoa;

� 1 m² de colector de tubos de vácuo/colector parabólico

composto por pessoa.

� Para uma família de 4 pessoas esta fórmula conduz a um valor

aproximado de superfície de colectores planos de 6 m².

56

111


� Volumes de armazenamento de água sanitária e permutadoresde calor

� Por forma a ultrapassar os dias de Verão com menor irradiação,sem usar aquecimento auxiliar, o volume do tanque dearmazenamento deve ser projectado para 1,5 a 2 vezes o consumode água quente diário.

� Através da redução do consumo de água quente é possívelseleccionar o factor de 1,5 sem diminuir o conforto (p.e. atravésda instalação de sistemas de poupança de água).

� Considera-se assim que o volume do tanque de armazenamento éde:

� Consumo de água diário x 1,5 = Tanque de 300 l.

112


� Volumes de armazenamento de água sanitária e permutadores

de calor

� Se o sistema for dimensionado para uma fracção solar de 100%,

para os meses de Verão entre Maio e Setembro, o volume do

tanque de armazenamento deve corresponder duas vezes ao

consumo de água quente diário:

� Para o exemplo da família de 4 pessoas com máquina de lavar

roupa/loiça recomenda-se um tanque de 400 l (≈216 l x 2).

� Consumo de água diário x 2 = Tanque de 400 l.

57

113


� Pré-dimensionamento dos permutadores de calor :

� Para uma aproximação ao dimensionamento de permutadores de

calor internos pode aplicar-se a seguinte fórmula:

� Permutador de calor com alhetas = 0,35 m² superfície de

permutador por m² superfície de colectores;

� Permutador de calor liso = 0,20 m² superfície de permutador

por m² superfície de colectores.

� Para o exemplo em estudo significa que na selecção do tanque de

armazenamento com um permutador de calor liso este deve ter

uma superfície de cerca de 1,2 m2 (6 m2 x 0,2 m2).

114


� Tubagem do circuito solar, bombas de circulação e vasos de

expansão

� Tendo por base a tabela seguinte, o diâmetro dos tubos para o

circuito solar pode ser estabelecido dependendo da superfície dos

colectores e do comprimento dos tubos.

� É também apresentado para a bomba de circulação a dimensão

correspondente:

58

115



expansão:

� Desta forma para o exemplo apresentado, com uma superfície dos

colectores de 6 m2, com um comprimento total da tubagem de

alimentação e de retorno de 20 m obtém-se uma tubagem para o

circuito solar de 18 mm de diâmetro e respectiva bomba de

circulação I ≡ UPS 25-40.

� O volume do vaso de expansão depende da superfície dos colectores

e da diferença de altura do sistema, entre o ponto mais baixo e o

ponto mais alto da instalação (geralmente o recipiente de expansão

e o topo do colector). Pode ser lido na tabela seguinte.

116



expansão

� Da tabela anterior, um vaso de expansão com um volume de 12 l

pode ser obtido para o exemplo em estudo.

59

117

Cálculo detalhado para os componentes individuais

� No caso dos métodos detalhados de dimensionamento do sistema

solar, os componentes são calculados com base nas condições reais

existentes no local da instalação.

� Superfície de colectores:

� Para definir a área dos colectores tem de se começar por

estipular o calor necessário para aquecimento da água, a

radiação solar disponível, a eficiência média do sistema e a

fracção solar desejada para o tipo de colector. De seguida

apresenta-se um exemplo concreto:

118


� Exemplo:

� Calor necessário: QAq = 8,77 kWh/dia;

� Insolação na superfície do coletor: ICol = 1,000 kWh/m²/ano;

� Eficiência média do sistema: ηsis = 0,35;

� Fracção solar desejada: Fsol = 60%.

� Com base nestes dados a área absorsora é calculada do seguinte

modo:

2

2

3 6 5 8, 7 7 / 0 , 6. . 5, 5

10 0 0 / 0 , 35

d ia s kW h d iaS u p a b so r m

kW h m

× ×= ≈

×

60

119


� Caudal volumétrico do circuito solar

� Um factor que tem efeito na transferência de calor do circuito solar, é a

perda de pressão. Esta deve ser mantida o mais baixo possível. Ao manter

a perda de pressão baixa é necessário manter a velocidade de escoamento

abaixo de 0,7 m/s, uma vez que a resistência do fluxo na tubagem não

pode ser muito elevada.

� No caso de escoamento a velocidades elevadas passa a existir ruído

adicional incómodo, e para velocidades na ordem de 1 m/s pode haver

abrasão do tubo de cobre.

� Por outro lado, um dado caudal volumétrico deve estar disponível para

transportar o calor do colector para o tanque de armazenamento. Para o

caudal volumétrico no circuito solar a experiência mostra que um valor de

cerca de 40 l/m2 por hora é ideal (fluxo elevado).

120


� Diâmetro da tubagem do circuito solar

� O diâmetro da tubagem do circuito solar pode ser calculado

através das variáveis, caudal volumétrico m e velocidade do

escoamento v:

� Exemplo:

� Caudal volumétrico = (6 m² x 40 l/m²h) = 240 litros por hora;

� Velocidade do escoamento = 0,7 m/s.

4m

vD

π

× =

3

2

0, 2 4 /2 4 0 /44

2 5 4 0 /0 , 7 /0 .0 1 1 0 1 1 1, 0 1

m hl h

m hm sD m m m

π π

××

= = ≈

61

121


� Diâmetro da tubagem do circuito solar

� No exemplo anterior, o diâmetro interno necessário deve ser no

mínimo 11 mm.

� Com base na tabela seguinte, deve ser seleccionado um tubo de

cobre com um diâmetro interno de 13 mm (descrição Cu 15x1).

122



� Em geral bombas de circulação tradicionais, com três ou quatro

estágios de controlo, são suficientes para sistemas pequenos (área

de colectores até 20m2).

� Para um dimensionamento detalhado é necessário saber a perda

de pressão Δptot total no sistema solar.

� A perda de pressão total é originada pelas perdas de pressão no

colector, no circuito solar e no permutador de calor.

to t co l circ p ermp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆

62

123



� Para um dimensionamento detalhado é necessário saber a

perda de pressão Δptot total no sistema solar.

� A perda de pressão total é originada pelas perdas de pressão

no colector, no circuito solar e no permutador de calor.

� Δptot depende do tipo de colectores, do caudal volumétrico

seleccionado e do tipo de ligações ao colector.

� Perda de pressão dos colectores individuais é fornecida pelo

fabricante e é dependente do caudal volumétrico.

to t co l circ p ermp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆

124



� A perda de pressão nos colectores depende do tipo de colectores,

do caudal volumétrico seleccionado e do tipo de ligações ao

colector. A perda de pressão dos colectores individuais é fornecida

pelo fabricante e é dependente do caudal volumétrico.

� Se diversos colectores forem ligados em paralelo a pressão do

campo de colectores corresponde à pressão de um único

colector.

� Se estiverem ligados em série a perda de pressão é um

somatório de todos.

63

125



� A perda de pressão do circuito solar Δpcirc é originada pelas perdasde pressão nos tubos Δptubo e pela soma das perdas de pressão nasligações Δplig.

� A perda de pressão específica por metro de comprimento dostubos da instalação, depende da secção transversal da tubageme da velocidade de escoamento e pode ser definida através dainformação dada pelo fornecedor.

� As perdas de pressão em ligações em curva, peças em T,ligações aparafusadas, válvulas e acessórios devem serretiradas das respectivas tabelas, na forma de correcção devalores de perda de pressão ou podem ser estimadas como 1/3de todas as perdas da tubagem.

126



� A perda de pressão no permutador de calor do circuito solar Δpperm

pode ser encontrada na documentação existente de acordo com o

tipo de permutador de calor e velocidade de escoamento.

� As perdas de pressão total, para diferentes caudais volumétricos,

são calculadas para uma determinada perda de pressão a um dado

caudal volumétrico de acordo com a equação seguinte:

64

127


� Vaso de expansão e válvulas de segurança

� Para o cálculo do tamanho dos recipientes deve-se ter em conta

não só a mudança de volume, com um aumento da temperatura

do líquido solar, mas também o volume de vapor do colector.

� O tamanho mínimo do vaso de expansão é calculado de acordo

com a seguinte equação:

� VExp - Volume de expansão (l);

� p0max - Pressão de operação máxima permitida (bar);

� padm - Pressão inicial do sistema (bar).

0 m ax

m in

0 m ax

1va so E xp

a d m

pV V

p p

+= ×

−

128



� A pressão de admissão deve ser suficientemente elevada, de modo

que em condições de paragem do sistema não seja possível haver

entrada de ar no sistema. Esta pressão deve ser no mínimo 0,5 bar

no ponto mais elevado do sistema.

� Dado que o vaso de expansão se localiza normalmente no ponto

mais baixo do sistema, deve ser adicionada a pressão estática à

pressão mínima.

65

129



� A pressão nominal da válvula de segurança pode ser retirada da

tabela seguinte, dependendo da pressão de admissão do sistema.

� Assim, considerando uma distância vertical entre o topo do sistema

e a válvula de segurança = 10 m, tem-se:

� A pressão máxima de operação deve ser cerca de 0,3 bar abaixo da

pressão de resposta da válvula de segurança.

0 m ax 0 m ax0, 3 3, 7V Sp p b a r b a r= − =

130



� O volume de expansão Vexp é calculado através de:

� Vcol - Volume do colector;

� VSis - Volume do sistema (Volume do colector + Volume da tubagem + Volume do permutador de calor).

0,1 0E xp co l S isV V V= + ×

66

131



� Exemplo

� Colectores:

� Conteúdo = 5 litros;

� Distância vertical entre o topo do sistema e a válvula de

segurança = 10 m.

� Circuito solar:

� Tubo de cobre Cu 15 x 1;

� Comprimento = 25 m.

� Permutador de calor: Conteúdo = 1,8 litros.

132


� Exemplo:

� VSis = 5 l + 25 m x 0,133 l/m + 1,8 l = 10,1 l;

� VExp = 5 l + 0,1 x 10,1 l = 6,01 l;

� padm = 0,5 bar + 1 bar = 1,5 bar;

� pOmax = 3,7 bar.

� Da série dos tamanhos padrão (10, 12, 18, 25, 35, 50 litros)

selecciona-se o de 18 litros.

m in

3, 7 16, 0 1 1 2, 8 4

3, 7 1, 5va so

b a rV l l

b a r b a r

+= × =

−

ER2 STA 03 Sistemas Solares Termicos

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