Manual de Instalações - Sistema de Aquecimento Solar e Gás Natural - COMGAS 2009

Manual de Instalaes

Sistema de Aquecimento Solar

&

Gs Natural

Julho 2009

&

Manual de Instalaes Sistema de Aquecimento Solar & Gs Natural Julho 2009 2

ndice

1 PREFCIO ................................................................................................................ 5

1.1 EQUIPE DE TRABALHO .......................................................................................................... 5

2 A ENERGIA SOLAR E O GS NATURAL JUNTOS PARA O AQUECIMENTO DE GUA... ............................................................................................................................. 6

3 OS SISTEMAS PREDIAIS DE SUPRIMENTO DE GUA QUENTE .......................... 7

3.1 INTRODUO ....................................................................................................................... 7 3.2 SISTEMAS PREDIAIS DE GUA QUENTE .................................................................................... 7

3.2.1 Sistema individual ..................................................................................................... 7 3.2.2 Sistema central privado ............................................................................................. 7 3.2.3 Sistema central coletivo............................................................................................. 8

3.3 REFERNCIAS NORMATIVAS ................................................................................................ 10

4 OS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE GUA A GS NATURAL ........................ 11

4.1 INTRODUO ..................................................................................................................... 11 4.2 SISTEMA A GS NATURAL INSTANTNEO ............................................................................... 11

4.2.1 Aquecedor de passagem (instantneo) ................................................................... 11 4.2.2 Caldeiras murais ..................................................................................................... 12

4.3 SISTEMA DE ACUMULAO A GS NATURAL ........................................................................... 13 4.3.1 Aquecedor do tipo acumulao ............................................................................... 13 Sistema direto de aquecimento ............................................................................................ 13 Sistema indireto de aquecimento ......................................................................................... 14 4.3.2 Sistema conjugado de aquecimento ........................................................................ 15


5 O SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR (SAS) .................................................... 17

5.1 INTRODUO ..................................................................................................................... 17 5.2 CONCEPO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ............................................................... 17 5.3 COLETOR SOLAR ............................................................................................................... 17

5.3.1 Coletor solar sem cobertura .................................................................................... 20 5.3.2 Coletores especiais ................................................................................................. 21 5.3.3 Posicionamento....................................................................................................... 22 5.3.4 Associao de coletores.......................................................................................... 23

5.4 CIRCUITO HIDRULICO ........................................................................................................ 24 5.4.1 Circulao por termossifo ...................................................................................... 24 5.4.2 Circulao forada .................................................................................................. 26


6 SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR & GS NATURAL .................................. 28

6.1 INTRODUO ..................................................................................................................... 28 6.2 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A AQUECEDOR DE PASSAGEM INDIVIDUAL ............................ 28

6.2.1 Sistemas de recirculao das unidades habitacionais.............................................. 29 6.2.2 Nveis de presso da rede de distribuio hidrulica................................................ 31

6.3 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A SISTEMA DE ACUMULAO INDIVIDUAL A GS NATURAL ....... 32 6.4 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A SISTEMA CONJUGADO COLETIVO A GS NATURAL ............... 34 6.5 COMPONENTES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO AO GS NATURAL ................. 35

6.5.1 Reservatrio............................................................................................................ 36 6.5.2 Trocador de calor .................................................................................................... 36

6.6 AQUECIMENTO DE PISCINAS ................................................................................................ 37


7 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR & GS NATURAL ....................................................................................................................... 39

7.1 INTRODUO ..................................................................................................................... 39 7.2 CLCULO DA DEMANDA DE GUA QUENTE ............................................................................. 39

7.2.1 Mtodo das vazes dos pontos de consumo ........................................................... 39 7.2.2 Mtodo do volume mdio ........................................................................................ 40 7.2.3 Mtodo das vazes mximas .................................................................................. 41

7.3 CLCULO DAS PERDAS TRMICAS NO TRAJETO ...................................................................... 41 7.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ..................................................... 42

7.4.1 Clculo do reservatrio do sistema central coletivo .................................................. 42 7.4.2 Clculo do reservatrio do sistema central privado .................................................. 42 7.4.3 Clculo da rea de coletores ................................................................................... 43

7.5 DIMENSIONAMENTO DOS AQUECEDORES DE PASSAGEM A GS NATURAL .................................. 44 7.5.1 Determinao das vazes instantneas .................................................................. 44 7.5.2 Determinao da potncia de aquecedores de passagem ....................................... 44

7.6 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ACUMULAO INDIVIDUAL ................................................ 44 7.6.1 Clculo do volume de gua quente em uma hora do perodo de maior consumo ..... 45 7.6.2 Clculo do volume mnimo de gua quente armazenada ......................................... 45 7.6.3 Determinao da potncia dos aquecedores a gs natural ...................................... 46

7.7 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA CENTRAL COLETIVO A GS NATURAL ...................................... 46 7.7.1 Clculo do volume dirio de gua quente ................................................................ 46 7.7.2 Clculo do volume de gua quente em uma hora do perodo de maior consumo ..... 47 7.7.3 Clculo do volume mnimo de gua quente armazenada ......................................... 47 7.7.4 Determinao da potncia dos aquecedores a gs natural ...................................... 48

7.8 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR E GS NATURAL........................... 49

ANEXO A EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO ......................................................... 50

A.1 CLCULO DA DEMANDA DE GUA QUENTE ..................................................................................... 50 A.2 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR ....................................................... 51

A.2.1 Reservatrio do sistema central coletivo .................................................................. 51

A.2.2 Reservatrio do sistema central privado .................................................................. 51

A.2.3 Determinao da rea de coletores ......................................................................... 52 A.3 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO A GS NATURAL ......................................... 53

A.3.1 Dimensionamento dos aquecedores de passagem .................................................. 53

A.3.2 Dimensionamento do sistema de acumulao individual.......................................... 53

A.3.3 Dimensionamento do sistema central coletivo ......................................................... 54 A.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR COM APOIO A GS NATURAL................ 55

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ..................................................................................... 56

Tabelas

Tabela 1 Componentes dos sistemas de aquecimento ............................................................. 35 Tabela 2 Resumo de alternativas de dimensionamento ............................................................. 55


Figuras

Figura 1 Distribuio de gua quente do tipo central privado ....................................................... 8 Figura 2 Sistema central coletivo de distribuio de gua quente ................................................ 9 Figura 3 Sistema central coletivo de distribuio de gua quente em 3 nveis de presso ......... 10 Figura 4 Estrutura dos sistemas de aquecimento a gs ............................................................. 11 Figura 5 Esquema dos aquecedores de passagem ................................................................... 12 Figura 6 Detalhe da caldeira mural ............................................................................................ 13 Figura 7 Esquema do aquecedor de acumulao de contato direto ........................................... 14 Figura 8 Sistema conjugado de aquecimento ............................................................................ 15 Figura 9 Esquema aquecedor solar de placa ............................................................................. 18 Figura 10 - Rendimento de um coletor solar trmico ..................................................................... 19 Figura 11 - Curva de rendimento de coletores e campo de utilizao ........................................... 20 Figura 12 - Coletor plano sem cobertura ...................................................................................... 21 Figura 13 - Coletores planos especiais ......................................................................................... 21 Figura 14 Trajetria anual do sol ............................................................................................... 22 Figura 15 Desvio do Norte geogrfico (ngulos azimutais de superficie) .................................... 23 Figura 16 Caractersticas de funcionamento da placa ................................................................ 24 Figura 17 Ligao dos coletores ................................................................................................ 24 Figura 18 Princpio de funcionamento do sistema de circulao por termossifo ....................... 25 Figura 19 Detalhe dos componentes do sistema de circulao por termossifo ......................... 25 Figura 20 Sistema de circulao por termossifo ....................................................................... 26 Figura 21 Sistema de circulao forada ................................................................................... 27 Figura 22 Esquema sistema solar com aquecedores de passagem a gs.................................. 29 Figura 23 Detalhe de sistema de recirculao interna ................................................................ 30 Figura 24 Detalhe da vlvula de controle de temperatura .......................................................... 30 Figura 25 Sistema de aquecimento com aquecedor de fluxo balanceado .................................. 31 Figura 26 Detalhe da introduo de vlvula redutora de presso ............................................... 31 Figura 27 Sistema de distribuio com redutoras coletivas ........................................................ 32 Figura 28 Esquema sistema solar com sistemas conjugados individuais ................................... 33 Figura 29 Detalhe a reduo de presso no sistema de gua fria .............................................. 34 Figura 30 Esquema sistema solar com sistema conjugado coletivo ........................................... 35 Figura 31 Tipos de reservatrios ............................................................................................... 36 Figura 32 Detalhe do trocador de placa ..................................................................................... 37 Figura 33 Detalhe da incorporao de trocador de calor ............................................................ 37 Figura 34 Incorporao de aquecimento de piscina ................................................................... 38


1 Prefcio Este Manual Tcnico tem como objetivo orientar os profissionais responsveis por projeto e instalao de Sistemas Prediais destinados ao aquecimento de gua atravs do uso da energia solar em conjunto com o gs natural. Pela grande variedade, tanto dos tipos de sistemas prediais para aquecimento de gua, quanto das tipologias dos edifcios residenciais existentes no mercado, o presente Manual no tem a pretenso de apresentar solues individuais a todas essas possibilidades, entretanto, procura estabelecer parmetros bsicos de projeto oferecendo ao profissional critrios que o auxiliem a encontrar a soluo mais adequada para desenvolver uma instalao envolvendo o uso da energia solar e o gs natural, atendendo as necessidades de edificao e de seus usurios, proporcionando um servio adequado ao longo da sua vida til.

1.1 Equipe de trabalho

O trabalho foi coordenado pela Comgs Companhia de Gs de So Paulo, em parceria com a ABRINSTAL Associao Brasileira pela Conformidade e Eficincia de Instalaes e desenvolvido por uma equipe composta por professores e pesquisadores do Instituto de Eletrotcnica e Energia (IEE) da Universidade de So Paulo (USP), bem como de vrios profissionais ligados a entidades envolvidas com o tema, dentre elas: ABRASIP, ABRAVA, SECOVI e SINDINSTALAO. Contou ainda com a consulta a vrios profissionais ligados a ASBEA e o apoio do SINDUSCON.


2 A energia solar e o gs natural juntos para o aquecimento de gua...

A radiao solar recebida na superfcie da terra pode ser convertida em calor e contribuir para atender as necessidades energticas destinadas ao aquecimento de gua no setor residencial. Os coletores solares transferem a energia solar absorvida para o fluido a ser aquecido. Para um clima tpico ao da regio urbana da cidade de So Paulo, a produo de gua quente no setor residencial, utilizando energia solar produzida atravs de um sistema corretamente dimensionado, contribui com um percentual aproximado de 70% da energia necessria, portanto, uma energia complementar ser necessria e dever ser do tipo convencional. A disponibilidade de recursos naturais imps nos ltimos anos a alterao de nossa matriz energtica para a produo de eletricidade, promovendo o crescimento mais acentuado da termoeletricidade em detrimento ao da hidroeletricidade. Esta nova realidade exige, seja pela oferta de fontes de energia primria ou pela eficincia na cadeia da sua transformao em energia til, reflexo a respeito do modo de obteno de calor. A utilizao dos gases combustveis representa um grande potencial de economia de energia primria para a produo direta de calor. No setor residencial a substituio da eletricidade por gases combustveis, para a produo de gua quente, alm de contribuir para amenizar a presso sobre as fontes primrias, primordial para postergar investimentos em transmisso e distribuio de energia eltrica, ao reduzir a demanda particularmente nos horrios de pico. O aquecimento solar de gua, utilizando-se como energia auxiliar o gs natural, traz um grande benefcio para a sociedade. Permite a utilizao de duas fontes de energia compatveis com a energia til, contribuindo para racionalizar os recursos naturais com vantagens para o consumidor. A possibilidade de utilizao da energia solar em algumas tipologias de edificaes residenciais permite ao consumidor, cada vez mais suscetvel a questes ambientais, a possibilidade de uso dessa alternativa energtica. Para atender a esta perspectiva de crescimento do mercado necessrio refletir sobre alguns desafios a serem vencidos quanto ao projeto e execuo da instalao de sistemas prediais para aquecimento de gua. importante que a indstria de equipamentos disponha de tecnologia para responder ao desafio tecnolgico e disponibilize equipamentos que garantam a eficincia e conforto, assim como atendam as novas edificaes residenciais que devero sofrer mudanas de concepo para incorporar o sistema solar. Esta uma tendncia que ser imposta e atingir toda a cadeia da construo civil, com impacto no custo dos imveis, porm, aceitvel se os sistemas forem projetados convenientemente. A utilizao da energia solar em conjunto com o gs natural no setor residencial se apresenta como um grande desafio para projetistas e arquitetos. Cada projeto ser um projeto diferente, exigindo destes profissionais: facilidade de adequao, inovao e flexibilidade na execuo de projetos e instalao. com a inteno de subsidiar o profissional a vencer tal desafio que este manual tcnico para sistemas prediais de aquecimento de gua atravs do uso da energia solar e gs natural apresentado por iniciativa da maior distribuidora de gs natural do Brasil.


3 Os sistemas prediais de suprimento de gua quente

3.1 Introduo

Os sistemas prediais para suprimento de gua quente podem ser classificados em individual, central privado e central coletivo, conforme Ilha, Gonalves e Kavassaki (1994). O sistema individual se caracteriza pela alimentao de um nico ponto de utilizao, sem a necessidade da existncia de uma rede hidrulica de gua quente. O sistema central privado se constitui de um equipamento responsvel pelo aquecimento da gua e uma rede hidrulica para a sua distribuio at um ou mais pontos de utilizao dentro de uma unidade habitacional. O sistema central coletivo constitudo por um equipamento para o aquecimento da gua e uma rede hidrulica para a sua distribuio at um ou mais pontos de utilizao pertencentes a mais de uma unidade habitacional. A gerao de gua quente realizada atravs do processo de transferncia de calor a partir de uma fonte de energia, podendo se dar atravs de um reservatrio. A transferncia de calor pode se realizar de modo direto ou indireto. No aquecimento direto, a fonte de energia atua no reservatrio ou duto que contm a gua a ser aquecida, enquanto que no indireto a fonte energtica aquece um fluido o qual trocar calor com a gua a ser aquecida.

3.2 Sistemas prediais de gua quente

3.2.1 Sistema individual

O sistema de aquecimento individual caracteriza-se pelo uso de aquecedores de gua que atendem apenas um ponto de consumo, e se localizam prximos a esse ponto, o que dispensa um maior sistema de distribuio de gua quente. Os energticos utilizados nesse tipo de sistema so normalmente os gases combustveis e a eletricidade. No aquecedor individual a gs natural a existncia de um fluxo de gua aciona o processo de combusto. Vrios so os tipos e aplicaes desses equipamentos, que se encontram detalhados no Captulo 4. A alimentao de gua fria para esse tipo de sistema feita como para os demais pontos que servem gua no aquecida, no necessitando de uma alimentao especfica ou individual, porm deve apresentar presso suficiente para o acionamento do aquecedor.

3.2.2 Sistema central privado

Para um sistema de distribuio de gua quente a gs natural do tipo central privado pode-se utilizar aquecedores do tipo passagem (instantneo) ou de acumulao, sendo, para ambos, possvel a associao com a energia solar. O abastecimento de gua fria para o aquecedor de acumulao, conforme exigncia da NBR 7198:1993, normalmente feito atravs de uma coluna exclusiva. A distribuio de gua quente feita atravs de tubulao, interna unidade habitacional, do aquecedor at um ou mais pontos e consumo. A Figura 1 ilustra um sistema predial de gua quente central privado.


Figura 1 Distribuio de gua quente do tipo central privado

Fonte: Ilha, Gonalves e Kavassaki (1994)

Devido distncia entre o aquecedor e os pontos de consumo as tubulaes de gua quente devem possuir isolamento trmico para reduzir as perdas trmicas com o ambiente. Nos pontos de utilizao ocorre a mistura da gua fria e da gua quente, o que permite que cada usurio determine a temperatura e a vazo adequadas para seu conforto. Para que haja uma mistura controlvel necessrio que as redes de gua fria e de gua quente tenham nveis de presses prximas. Outra alternativa o uso de vlvulas misturadoras automticas, que regulam a mistura de gua quente e fria, alimentando os pontos de consumo com gua a uma temperatura pr-determinada. Quando no utilizada, a gua aquecida parada na tubulao perde calor para o ambiente diminuindo a sua temperatura. Em funo da distncia entre o aquecedor e os pontos de consumo, pode haver excessiva demora no fornecimento de gua na temperatura desejada. Uma forma para evitar tal situao promover a recirculao da gua quente entre o ponto de consumo e o aquecedor.

3.2.3 Sistema central coletivo

O sistema de distribuio central coletivo caracteriza-se pela utilizao de um aquecedor central para atender a demanda de diversas unidades consumidoras, como por exemplo, a utilizao de centrais de aquecimento que alimentam diversos apartamentos de um edifcio. O abastecimento de gua fria feito normalmente por uma coluna exclusiva, uma vez que a vazo requerida muito elevada. A distribuio da gua quente a partir da central de aquecimento at os pontos de consumo feita por uma rede hidrulica, que deve considerar aspectos como o uso simultneo dos pontos de consumo. Aquecedor e reservatrio podem estar localizados num nico equipamento ou no, dependendo da necessidade de adequao aos ambientes onde sero instalados, uma vez que tais equipamentos so normalmente de grande porte.


A localizao do reservatrio pode ocorrer na parte superior e inferior do edifcio, ou distribuda atravs de um sistema misto. Os reservatrios localizados na parte inferior esto, geralmente, situados no subsolo do edifcio. Por estarem localizados na parte mais baixa do edifcio, e a alimentao de gua fria ocorrer pela caixa dgua superior, estes reservatrios precisam resistir a presses mais altas do que as outras configuraes. Os reservatrios da parte superior ficam localizados prximos s caixas dgua superior, um pouco abaixo no nvel inferior da caixa, portanto, estaro submetidos a baixa presso de gua. No sistema misto, h reservatrios de gua quente na parte inferior e na parte superior e/ou em pisos intermedirios da edificao. Os sistemas de distribuio de gua quente podem ser classificados em trs tipologias, em funo do sentido de alimentao de gua quente: ascendente, descendente e mista. Na Figura 2 h um exemplo de sistema de distribuio de gua quente com alimentao descendente, apresentando uma rede hidrulica que sai dos reservatrios de gua quente inferior, sobe at a parte mais alta da rede, se divide em diversas prumadas de alimentao que iro alimentar, na descida, os pontos de consumo.

Figura 2 Sistema central coletivo de distribuio de gua quente Fonte: Apostila de Treinamento Eng Jorge Chaguri

Os sistemas de aquecimento central coletivo devem considerar as limitaes de presses impostas rede de distribuio de gua da edificao. Segundo a NBR 5626:1998, a presso de distribuio da gua nos pontos de utilizao dos apartamentos no pode ultrapassar 4 kgf/cm, ou 40 mca. Com isso, em edifcios altos, devem ser utilizadas vlvulas redutoras de presso para limitar as presses de uso. Nestes casos, as redes so separadas em diversos nveis de presso, cada uma funcionando em presses compatveis. Em geral, como h diversas redes independentes, com presses de operaes diferentes, so necessrios reservatrios independentes, ou reservatrio nico com dispositivos que garantem a no mistura das presses para a recirculao adequada na rede. Na Figura 3 h um exemplo de sistema de distribuio de gua quente com trs redes hidrulicas independentes.


Figura 3 Sistema central coletivo de distribuio de gua quente em 3 nveis de presso Fonte: Apostila de Treinamento Eng Jorge Chaguri

Um sistema para a recirculao da gua quente essencial para atendimento homogneo de temperatura para todos os consumidores nos sistemas de aquecimento central coletivo. Este sistema tem a finalidade de manter uma temperatura mnima de gua quente na rede de alimentao evitando que haja demora excessiva para que a gua quente chegue ao ponto de consumo. Como as distncias so normalmente grandes, ocorreria o desperdcio de gua e a demora no suprimento de gua quente. Vrias alternativas podem ser utilizadas para manter a temperatura da gua constante na rede. O sistema de recirculao mais comum utiliza bombas silenciosas e de baixa potncia, que foram a circulao de gua quente de acordo com a temperatura desejada na rede. A recirculao pode ocorrer tambm e apenas pela diferena de densidade entre a gua quente (mais leve) e a gua fria (mais pesada), denominado de sistema por termossifo (ver 5.4.1). Porm, devido a baixa velocidade de recirculao, este tipo de recirculao pouco utilizado em edifcios, restringindo-se a aplicaes em residncias.

3.3 Referncias normativas

Os sistemas prediais de suprimento de gua devem ser projetados e executados conforme NBR5626 Instalao predial de gua fria e NBR7198 Projeto e execuo de instalaes prediais de gua quente.


4 Os sistemas de aquecimento de gua a gs natural

4.1 Introduo

Existem diversos tipos de aparelhos para aquecimento de gua a gs natural existentes no mercado com caractersticas especficas e que permitem diversas aplicaes, tais como, aquecimento de banho, torneiras, piso, ambiente, piscina, saunas e etc. Esses aparelhos podem ser classificados em funo do tipo de transmisso de calor para aquecer a gua, direto ou indireto, bem como, do tipo de funcionamento, instantneos ou de acumulao. Quanto s caractersticas de funcionamento, podemos dividir os sistemas de aquecimento a gs natural em instantneos, que aquecem instantaneamente o volume de gua requerido e de acumulao, onde equipamentos mantm gua quente armazenada para atender as variaes de demanda, conforme apresentado na Figura 4.

Figura 4 Estrutura dos sistemas de aquecimento a gs natural

4.2 Sistema a gs natural instantneo

4.2.1 Aquecedor de passagem (instantneo)

Os aquecedores de passagem, tambm conhecidos como aquecedores instantneos, so aparelhos compactos que aquecem a gua no instante em que h a demanda pelos pontos de consumo. A Figura 5 apresenta um modelo deste tipo de aquecedor.


Figura 5 Esquema dos aquecedores de passagem Fonte: Apresentao de Treinamento Eng Jorge Chaguri

De uma forma geral, todos os aquecedores de passagem so constitudos de uma unidade de aquecimento onde h um queimador interno ao aquecedor, o qual permite a combusto adequada do gs natural, e um trocador de calor que transfere o calor para a gua de consumo que passa por uma serpentina. Os aquecedores de passagem a gs natural so concebidos para realizar uma boa exausto dos gases queimados, transportando-os para o exterior da edificao, evitando assim a contaminao do ambiente onde esto instalados.

Os aquecedores de passagem a gs natural possuem diversos sistemas auxiliares incorporados que permitem melhor eficincia e controle operacional.

4.2.2 Caldeiras murais

As caldeiras murais so equipamentos que possuem um complexo sistema de aquecimento, servindo a diversas aplicaes simultaneamente associadas em um nico aparelho a gs natural. Aparentemente so equipamentos que se assemelham aos aquecedores de passagem, pois so instalados em condies semelhantes e possuem os mesmos padres de dimenses. Em apenas um equipamento caldeira mural poder haver um ou mais sistemas de aquecimento de gua independentes, os quais podem ser destinados a aplicaes distintas, com circuitos de temperaturas e caractersticas de funcionamento especficas. Na Figura 6 h um exemplo da caldeira mural sob a capa protetora, onde possvel observar vrios de seus componentes: o trocador de calor do aquecedor, parte dos queimadores, o exaustor dos gases queimados do aparelho, a bomba de circulao de gua para circuitos fechados e a estrutura de controle do aparelho.


Figura 6 Detalhe da caldeira mural Fonte: Bosch www.bosch.com.br

As caldeiras murais podem, assim como os aquecedores de passagem, trabalhar como elemento de um sistema conjugado, sendo possvel trocar calor com a gua do reservatrio atravs de contato direto ou indireto.

4.3 Sistema de acumulao a gs natural

4.3.1 Aquecedor do tipo acumulao

O aquecedor de gua do tipo acumulao um aparelho constitudo basicamente de reservatrio de gua e unidade de aquecimento, que mantm o volume de gua quente armazenado disponvel para consumo. O aquecedor de acumulao funciona atravs de um termostato ligado ao reservatrio, que aciona o queimador (unidade de aquecimento) conforme a temperatura da gua definida pelo usurio. Quando a temperatura da gua no reservatrio cai abaixo do valor programado, o dispositivo de aquecimento acionado, elevando a temperatura at atingir aquele valor. Com o intuito de reduzir as perdas trmicas do aquecedor, o reservatrio protegido com um isolante trmico, reduzindo assim a transmisso de calor da gua quente armazenada para o ambiente.

Sistema direto de aquecimento

O sistema de aquecimento considerado direto quando o meio de aquecimento, no caso a fonte de calor, entra em contato direto com a superfcie que est em contato com a gua de consumo. O aquecedor de acumulao de contato direto constitudo basicamente de um reservatrio aquecido por um queimador na parte inferior, que tem por finalidade aquecer a gua armazenada.

Alm do contato da chama do queimador, os gases queimados na combusto, que passam por um tubo central do reservatrio, tambm contribuem para troca de calor com a gua armazenada. Para aumentar a eficincia da troca de calor existem chicanas que provocam turbulncias nos gases


de combusto com as paredes do reservatrio. A Figura 7 apresenta um aquecedor de acumulao de um sistema direto de aquecimento.

Figura 7 Esquema do aquecedor de acumulao de contato direto

Fonte: Revista Tchne (2008)1

No aquecedor de acumulao, devido a estratificao trmica da gua armazenada, a entrada de gua fria feita na parte inferior do tanque, e a sada pela parte superior, no ponto mais quente do reservatrio.

Neste sistema, se comparado ao sistema de aquecimento de contato indireto, a durabilidade dos equipamentos menor, devido principalmente s constantes variaes de temperatura, e a existncia de grandes choques trmicos que ocorrem entre as altas temperaturas do queimador e baixa temperatura da gua que entra no reservatrio (prxima da temperatura ambiente).

Sistema indireto de aquecimento

No sistema de aquecimento indireto, a fonte de calor no entra em contato diretamente com a superfcie do reservatrio que contm gua de consumo. Para o aquecimento do reservatrio utilizado um fludo intermedirio, podendo ser gua (no a de uso), leo ou outro fludo, que responsvel pela transferncia de calor. Este sistema composto por um queimador, que controla e mantm a temperatura do fludo que ir trocar calor com a gua de consumo. A configurao do sistema de aquecimento indireto permite a utilizao de uma geradora de calor para diversos reservatrios, alm da possibilidade de deslocamento e segregao, entre a geradora (que permite cumprir requisitos de ambiente para instalao dos aquecedores a gs natural) e o reservatrio de gua para consumo. Dessa forma, consegue-se estruturar inmeras alternativas para implantao de sistemas de aquecimento a gs natural. O sistema de aquecimento indireto possui algumas vantagens se comparado com o sistema aquecimento direto. A primeira delas diz respeito durabilidade dos equipamentos, em funo da reduo do choque trmico (diferena de temperatura entre o fludo de aquecimento e a gua de consumo) na superfcie do reservatrio.

1 Disponvel em: http://www.revistatechne.com.br/engenharia-civil/117/artigo39272-5.asp


Outra vantagem reside na possibilidade de utilizao do fludo com caractersticas especficas no circuito fechado, aumentando a durabilidade dos componentes. Mesmo com a utilizao de gua como fluido trocador de calor, a tendncia de decomposio de materiais slidos, como o clcio, menor devido a pouca renovao desta gua.

4.3.2 Sistema conjugado de aquecimento

O sistema conjugado de gua quente composto por um aquecedor de passagem, que faz o aquecimento da gua, e de em um reservatrio trmico. Em muitos casos podem ser considerados como um acumulador com aquecedor de passagem, com sistema de aquecimento direto ou indireto. O padro de uso dos sistemas conjugados pode ser comparado aos aquecedores de acumulao, pois possuem o mesmo princpio de funcionamento: o acumulador mantm armazenado um volume de gua quente, a certa temperatura, em prontido para o uso. Devido a utilizao de aquecedores de passagem para aquecimento da gua do reservatrio, ou de caldeiras murais (ver 4.5), possvel posicionar os aparelhos a gs natural distantes do reservatrio, conforme a configurao do ambiente no qual estaro instalados. Na Figura 8 h um esquema de sistema de aquecimento conjugado.

Figura 8 Sistema conjugado de aquecimento

Os sistemas conjugados so mais eficientes termicamente se comparados aos aquecedores de acumulao. Nestes, quando seu queimador desligado, um fluxo de ar ambiente circula por dentro do tanque, atravs da passagem destinada aos gases queimados, provocando troca de calor deste ar com a gua armazenada, ocasionando o resfriamento do reservatrio. No reservatrio do sistema conjugado no h a entrada de ventilao, o que evita essa perda de calor. No sistema conjugado possvel alteraes de potncias do sistema variando apenas a troca dos aquecedores, podendo adequar a potncia instalada ao longo da vida til do sistema e das necessidades de seus usurios. Alm disso, possvel trabalhar com diversos aquecedores para um mesmo reservatrio, o que pode garantir potncias mais elevadas e maior segurana quanto garantia no fornecimento de gua quente, uma vez que, no caso de falha em um dos aquecedores, existem outros que podem suprir parte da demanda necessria.

Aquecedor a gs natural



Os sistemas prediais de suprimento de gs natural devem ser projetados e executados conforme NBR15526 Redes de distribuio interna para gases combustveis projeto e execuo, e os aparelhos a gs natural instalados conforme NBR13103 Instalao de aparelhos a gs para uso residencial Requisitos dos ambientes.


5 O sistema de aquecimento solar (SAS)

5.1 Introduo

O sistema de aquecimento solar de gua contm como principal equipamento um coletor solar, que absorve a radiao do sol, transferindo sua energia para aquecer um fluido que nele circula. H no mercado diversos tipos e modelos de sistemas de aquecimento solar, com caractersticas especficas para aplicaes residenciais, incluindo aplicaes especiais, como por exemplo, o aquecimento de piscinas. A abordagem deste Manual se concentrar na utilizao dos sistemas de aquecimento solar destinados ao aquecimento de gua em residncias multifamiliares (edifcios).

5.2 Concepo do sistema de aquecimento solar

Um sistema de aquecimento solar (SAS) constitudo dos seguintes elementos: coletor solar, reservatrio trmico, sistema de aquecimento auxiliar, acessrios e suas interligaes hidrulicas. A energia captada no(s) coletor(es) transferida diretamente para o reservatrio ou para o trocador de calor localizado entre o(s) coletor(es) e o reservatrio trmico.

5.3 Coletor solar

O coletor solar um trocador de calor que transforma a energia solar radiante em calor. Quando se trata de coletores planos, o fluxo da radiao incidente (irradincia) constante para toda a sua superfcie e no ultrapassa 1100 W/m. O intervalo de comprimento de onda da radiao solar incidente est aproximadamente entre 0,3 e 2,5m (baixos comprimentos de ondas). Os coletores solares planos so equipamentos destinados a aquecer a gua a temperaturas compatveis ao uso sanitrio e outras aplicaes. Os coletores solares so dispositivos concebidos para absorver a maior quantidade possvel de radiao solar, e transferir a maior parte desta radiao para o fluido que passa por eles. So vendidos em mdulos que podem ser acoplados entre si conforme a necessidade de energia. A Figura 9 apresenta a estrutura de um coletor solar.


Figura 9 Esquema aquecedor solar de placa Fonte: Gs Natural (2004)

O coletor solar composto por diversos elementos responsveis pelo melhor aproveitamento possvel da radiao solar: Cobertura transparente (A): permite a passagem de grande parte da radiao solar (baixos

comprimentos de onda) e retm grande parte da radiao emitida pela placa absorvedora. Reduz as perdas de calor por conveco entre a placa absorvedora e o ambiente. Representa uma barreira mecnica ao meteorolgica sobre a placa absorvedora. Este componente pode ser dispensado quando se deseja menores temperaturas para o aquecimento da gua.

Placa absorvedora (B): componente de um coletor solar que absorve a energia radiante e

transfere essa energia na forma de calor para um fludo.

Isolamento trmico (C): materiais de baixo coeficiente de condutividade trmica, e tem por objetivo reduzir as perdas de calor entre a placa absorvedora e a estrutura do coletor (caixa).

Caixa (D): estrutura que protege todos os componentes da ao do meio ambiente. Deve ser

estanque e ao mesmo tempo permitir a dilatao trmica dos componentes Tubulao do fludo (E): geralmente produzido em material metlico (bom condutor de calor),

tem a finalidade de conduzir o fluido a ser aquecido e transferir a energia absorvida da placa absorvedora para o fludo

O rendimento () de um coletor solar trmico (energia til/energia solar incidente) depende da diferena de temperatura entre a entrada do fluido no coletor e o ambiente para cada nvel de irradincia, de acordo com a seguinte expresso:

Onde:

Rendimento de um coletor solar, que varia de 0 a 1.


FR Fator constante, menor do que 1, que representa a capacidade de transferir a radiao solar absorvida pelo placa absorvedora para o fludo. Quanto mais prximo de 1, melhor a transferncia dessa energia para o fludo. Absortncia do coletor, razo entre a radiao incidente na placa absorvedora e a radiao

absorvida.

Transmitncia do coletor, razo entre a radiao incidente na cobertura transparente e a radiao incidente na placa absorvedora.

U Coeficiente global de perdas de calor (conduo, conveco e radiao). Quanto maior o

coeficiente maior a energia perdida. T Diferena de temperatura entre a gua que entra no coletor e a temperatura do ambiente G Irradincia solar incidente na placa

2

Para uma dada diferena de temperatura, o rendimento pode ser aproximado a uma reta, conforme a Figura 10, variando em funo da diferena de temperatura, entre a gua e o ambiente, dividido pela irradincia.

Figura 10 - Rendimento de um coletor solar trmico Fonte: AITA (2006)

2 A irradincia citada a irradincia global representada pela soma das componentes da radiao direta, proveniente do sol,

e da difusa, proveniente da radiao difundida pela atmosfera.


Na Figura 11 h um exemplo de uma placa absorvedora, com os dados de rendimento da placa em funo da diferena de temperatura entre a placa e o ambiente. Conforme a diferena de temperatura, o rendimento da placa varia.

Figura 11 - Curva de rendimento de coletores e campo de utilizao Fonte: EDIC (2005)

Os coletores solares so normalmente selecionados em funo de sua aplicao, definindo caractersticas especficas para o uso pretendido. Alm dessas caractersticas, os coletores devem ser:

Resistente s condies exteriores (ambientes marinhos, poeira, neve, granizo e etc.) Resistente a temperaturas altas e baixas Estvel e duradouro Eficiente na converso de energia compatvel com o uso

5.3.1 Coletor solar sem cobertura

O coletor solar sem cobertura permite a incidncia dos raios do sol diretamente na placa absorvedora. Por no possuir cobertura no retm a radiao emitida pela placa absorvedora e produz aquecimento a temperaturas menores que a dos coletores com cobertura. Na Figura 12 h um exemplo de coletor sem cobertura. Devido a estas caractersticas, os coletores sem cobertura, funcionam com temperaturas mais baixas que os coletores com cobertura, sendo assim utilizados devido ao menor custo, para fins de pr-aquecimento ou para aquecimento de piscina.

Ren

dim

ento

Diferena de temperatura entre o coletor e o ambiente (C)

Absorvedor de piscina

Coletor plano

Coletor a vcuo

0 20 C Climatizao de piscinas

20 100 C gua quente e calefao

> 100 C Calor de processo


Figura 12 - Coletor plano sem cobertura Fonte: Heliotek

5.3.2 Coletores especiais

Conforme a aplicao os coletores possuem caractersticas que se adaptam utilizao desejada. Em alguns casos, pode-se necessitar de coletores que produzam gua a temperaturas mais elevadas, ou at mesmo vapor, como o caso do uso em complexos hospitalares. Na Figura 13 h alguns exemplos de coletores solares especiais.

Figura 13 - Coletores planos especiais

Temperaturas mais elevadas podem ser obtidas atravs da reduo da perda trmica no coletor solar. Diversas tcnicas podem ser aplicadas tais como: reduo das perdas pticas com coberturas especficas para essa finalidade, melhor absoro atravs de coletores de absoro seletiva e, reduo das perdas por conveco no interior dos coletores atravs da criao de vcuo entre o absorvedor e a cobertura. Tais tcnicas tm a seguinte classificao:


Vcuo: existncia de vcuo entre o absorvedor e o tubo de vidro. O vcuo contribui para diminuir as perdas trmicas por conveco

CPC (Compound Parabolic Concentrator): aumenta-se a radiao sobre o absorvedor.

Incorpora uma pequena concentrao dos raios solares sobre um eixo, tubo por onde passa o fluido a ser aquecido, mediante superfcies refletoras cilndricas parablicas.

TIM (Transparent Insulation Materials): incorporam uma cobertura transparente com

propriedades isolantes que diminuem as perdas trmicas do coletor

5.3.3 Posicionamento

O posicionamento dos coletores solares essencial para a instalao do sistema de aquecimento solar e sua compreenso possibilita a construo de instalaes mais eficientes, onde se aproveita melhor a radiao do sol. A Inclinao em relao ao plano horizontal e direo de instalao dos coletores solares so os dois elementos que influenciam o dimensionamento do sistema de aquecimento solar. Os coletores solares devem estar expostos ao sol de tal forma que a incidncia da radiao solar atinja o coletor o mais que possvel perpendicularmente. Como h uma variao da inclinao do sol, conforme a poca do ano, os coletores so instalados com uma inclinao que maximiza e uniformiza, ms a ms, a incidncia da radiao solar durante o perodo de um ano.

Figura 14 Trajetria anual do sol

Fonte: ABRAVA (2008)

Como regra bsica, recomendada que a instalao possua uma inclinao equivalente latitude da regio onde ser instalado o sistema solar, somando-se 10. Como exemplo para a cidade de So Paulo, localizada a latitude 23, recomenda-se a instalao dos coletores com 33 de inclinao, conforme a Figura 14. Alm da inclinao, os coletores devem estar direcionados simtricos em relao a trajetria do sol, posio que permite o maior tempo de incidncia do sol ao longo do dia. O maior


aproveitamento ocorre quando direcionamos os coletores solares voltados para o Norte Geogrfico. A instalao pode ser realizada dentro de uma faixa de tolerncia da direo, conforme apresentado na Figura 15.

Figura 15 Desvio do Norte geogrfico (ngulos azimutais de superficie)

Fonte: ABRAVA (2008)

5.3.4 Associao de coletores

Os coletores solares devem ser instalados conforme orientao do fabricante, devendo ser verificado o sentido do fluxo da gua e a configurao do sistema sugere a Figura 16.


Figura 16 Caractersticas de funcionamento da placa

Verificado o sentido do fluxo da gua a ser aquecida nos coletores solares, preciso que sejam interligados conforme a capacidade de fluxo e projeto do sistema de aquecimento. Os coletores podem ser associados em paralelo, em srie ou misto, conforme a Figura 17.

Figura 17 Ligao dos coletores

5.4 Circuito hidrulico

O circuito hidrulico do sistema de aquecimento solar pode apresentar circulao por termossifo ou forada. Essas diferenas so definidas, basicamente, em funo da circulao entre os coletores solares e o reservatrio de armazenamento.

5.4.1 Circulao por termossifo

No sistema de circulao por termossifo a circulao de gua entre os coletores e o reservatrio ocorre pela diferena de densidade entre a gua fria (parte inferior do reservatrio) e a gua quente (parte superior dos coletores solares), conforme mostra a Figura 18.


Figura 18 Princpio de funcionamento do sistema de circulao por termossifo

Um sistema solar de aquecimento no funciona apenas com o coletor e o reservatrio, so necessrios diversos componentes que monitoram e controlam o funcionamento do sistema. Na Figura 19 possvel observar alguns dos componentes que so incorporados ao sistema de aquecimento solar.

Figura 19 Detalhe dos componentes do sistema de circulao por termossifo

Nos sistemas de circulao por termossifo, deve-se evitar grandes distncias e desvios nas tubulaes (principalmente sifo) de forma a permitir a circulao da gua no sistema, lembrando-se que a instalao do reservatrio deve ser feita obrigatoriamente em nvel acima dos coletores solares. Tais restries reduzem a flexibilidade de instalao deste tipo de circulao nos sistemas de aquecimento solar.

Como existe limitao de distncia entre o reservatrio e os coletores solares, bem como ausncia de bomba para forar a circulao da gua, o custo deste tipo de instalao , geralmente, menor que o sistema de circulao forada. Alm disso, so sistemas onde a presso de trabalho muito baixa podendo trabalhar a partir da presso atmosfrica.

Nesses sistemas no se utiliza trocador de calor entre os coletores solares e o reservatrio.


Um ponto a ser considerado neste tipo de instalao que o reservatrio, geralmente, est situado em ambiente descoberto, sem proteo contra intempries, o que pode reduzir a durabilidade do equipamento, mesmo com a presena de capa protetora.

Na Figura 20 pode ser observado um esquema de instalao onde a placa coletora est situada no telhado de uma residncia e o reservatrio est situado em nvel acima dos coletores solares.

Figura 20 Sistema de circulao por termossifo

5.4.2 Circulao forada

O sistema de circulao forada utilizado na impossibilidade de construo de uma instalao com sistemas de circulao por termossifo.

Neste sistema, a circulao da gua pelos coletores solares feita atravs de uma bomba, acionada normalmente por dispositivos e sensores que indicam quando a temperatura dos coletores solares est maior que a temperatura do reservatrio.

A necessidade de bombas de circulao, equipamentos de monitoramento de temperatura e controles de acionamento das bombas, agrega custos na utilizao deste tipo de sistema.

Com o sistema de circulao forada possvel instalar o reservatrio distante dos coletores solares, permitindo uma maior flexibilidade de utilizao do sistema. Neste sistema as presses de trabalho so maiores, necessitando assim de reservatrios, coletores solares e demais componentes que suportem tais presses.

A Figura 21 apresenta um sistema de circulao forada, com alguns equipamentos e sistemas acoplados, como a bomba de recirculao e controles.


Figura 21 Sistema de circulao forada


Os sistemas de aquecimento solar de gua devem observar os requisitos dispostos na NBR15569 Sistemas de aquecimento solar de gua em circuito direto Projeto e instalao, sempre que aplicvel.


6 Sistemas de aquecimento solar & gs natural

6.1 Introduo

Os sistemas de aquecimento solar nem sempre so projetados para atender toda a demanda de gua quente durante o ano inteiro, por questes econmicas ou tcnicas. Para completar esta demanda de gua quente no suprida pelo sistema de aquecimento solar h a opo de se utilizar sistemas de aquecimento de gua a gs natural.

Diversas configuraes podem ser estabelecidas para o funcionamento complementar entre sistemas de aquecimento solar e gs natural. Este Manual trata as principais solues que foram identificadas atravs da anlise dos sistemas disponveis atualmente junto ao mercado brasileiro, considerando adicionalmente aspectos tcnicos e tendncias observadas.

6.2 Aquecimento solar associado a aquecedor de passagem individual

Esta configurao consiste no conjunto composto por coletores solares, reservatrio de gua quente e aquecedor de passagem individual instalado em cada unidade habitacional. O reservatrio tem por objetivo atender a demanda coletiva de gua quente, e o aquecedor de passagem individual utilizado para aquecer a gua, quando a temperatura da gua proveniente do sistema solar est abaixo da desejvel.

Para que os aquecedores de passagem sejam acionados com temperaturas pr-determinadas, fornecendo apenas a quantidade de energia necessria para atingir uma temperatura desejada, devem ser instalados dispositivos de controle de temperatura e potncia modulvel. Nestes casos, sensores identificam quando a temperatura da gua do sistema solar encontra-se abaixo da especificada pelo usurio, acionando o aquecedor de passagem a gs natural.

Neste tipo de configurao no se elimina a necessidade de um reservatrio trmico para acumular a gua quente gerada no horrio com maior intensidade solar. O reservatrio possibilita aos usurios usufruir da gua quente gerada somente pelo sistema de aquecimento solar, mesmo nos perodos em que no h disponibilidade de sol. A Figura 22 apresenta um esquema de funcionamento do sistema de aquecimento solar associado aos aquecedores de passagem individuais.


Figura 22 Esquema sistema solar com aquecedores de passagem a gs natural Fonte: Apostila de Treinamento Eng Jorge Chaguri

Alm do controle de temperatura do aquecedor individual de passagem importante que o sistema tenha dispositivos adicionais para monitorar a temperatura nos coletores solares e na rede de distribuio de gua quente, evitando que haja circulao de gua quente no sistema quando a temperatura dos coletores estiver mais baixa que a temperatura de gua da rede.

A eficincia deste sistema est associada sensibilidade e o comportamento dos dispositivos de controle dos aquecedores a gs natural. O controle da temperatura de entrada de gua no deve permitir que o aquecedor funcione quando a temperatura da gua est dentro dos parmetros pr-estabelecidos, e a vlvula de controle do aquecedor deve possuir sensibilidade tal que fornea apenas a quantidade de energia necessria, sendo que qualquer acrscimo pode ser considerado como desperdcio.

6.2.1 Sistemas de recirculao das unidades habitacionais

Existem detalhes que devem ser considerados em situaes especficas como, por exemplo, quando da necessidade de sistemas de recirculao interna nas unidades habitacionais. Nestes casos devem ser introduzidos dispositivos que gerenciem a alimentao de gua quente no interior da unidade habitacional e o sistema de recirculao interno, conforme apresentado na Figura 23.

pontos de consumo


Figura 23 Detalhe de sistema de recirculao interna

A vlvula de controle monitora a temperatura da gua quente e gua disponvel na rede de distribuio do edifcio na entrada da unidade habitacional, e encaminha para consumo caso essa temperatura seja igual ou superior a temperatura definida pelo usurio. Caso a temperatura esteja abaixo do desejado, desviada parte da gua de entrada para o aquecedor de passagem a gs natural, que vai fornecer aquecimento adicional ao sistema. O retorno da rede interna de gua quente tambm se conecta vlvula para que seja analisada a necessidade de aquecimento adicional realizado tambm atravs do aquecedor de passagem.

A vlvula de controle na entrada da rede de alimentao de gua quente da unidade habitacional pode ser instalada conforme a Figura 24.

Figura 24 Detalhe da vlvula de controle de temperatura

Uma alternativa para os sistemas de recirculao internos das unidades habitacionais consiste na instalao de aquecedores de fluxo balanceado prximos aos pontos de consumo, conforme mostra a Figura 25. Dessa forma possvel no instalar o sistema de recirculao, sendo que o aquecimento inicial no ponto de consumo, que normalmente encontra-se a baixa temperatura, feito pelo aquecedor instalado prximo ao ponto de consumo. A medida que o consumo de gua da rede se estabelece, a chegada da gua quente do sistema de distribuio do edifcio permite o desligamento deste aquecedor.

Red

e d

e d

istr

ibui

o e

difc

io

Rede de distribuio interna unidade

habitacional

Legenda: AQ aquecedor a gs natural M medidor de consumo V vlvula de controle B bomba de recirculao T painel termosttico


Figura 25 Sistema de aquecimento com aquecedor de fluxo balanceado

6.2.2 Nveis de presso da rede de distribuio hidrulica

Para edifcios altos, onde a presso na rede de gua quente pode superar o limite da Norma de instalao de sistemas de hidrulicos (NBR 5626:1998), de 4kgf/cm, deve-se instalar vlvulas redutoras de presso, adequando a presso da rede presso de consumo. Uma alternativa para este sistema a introduo de uma vlvula redutora de presso individual para cada apartamento, conforme Figura 26, evitando a diviso do sistema de distribuio em diversos nveis de presso.

Figura 26 Detalhe da introduo de vlvula redutora de presso

Legenda: AQ aquecedor a gs natural M medidor de consumo V vlvula de controle B bomba de recirculao T painel termosttico R redutora de presso

Legenda: AQ aquecedor a gs natural M medidor de consumo V vlvula de controle B bomba de recirculao R redutora de presso

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Red

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consumo

consumo

consumo

consumo

consumo

consumo


Outra opo para o sistema de reduo de presso a instalao de uma vlvula redutora de para cada nvel de presso. Com isso, necessria a introduo de redes de recirculao independentes para cada nvel de presso, com sistemas de controle tambm independentes, conforme Figura 27.

Figura 27 Sistema de distribuio com redutoras coletivas

Para esta soluo necessria a utilizao de bombas de recirculao com potncias elevadas para recircular a gua at o reservatrio de gua quente. Contudo, como os nveis de presso devem ser os mesmos no reservatrio de gua quente, necessrio que todas as redes de gua quente, dos diferentes nveis, estejam com a mesma presso no ponto de interligao com o reservatrio.

6.3 Aquecimento solar associado a sistema de acumulao individual a gs

natural

No sistema de aquecimento solar associado sistema de acumulao individual a gs natural no h necessidade de um reservatrio coletivo para o sistema de aquecimento solar. Neste sistema os coletores solares aquecem a gua de um circuito fechado de recirculao, que atravs de trocadores de calor aquecem a gua contida nos diversos reservatrios individuais dentro de cada unidade habitacional. Dessa forma, em vez de existir um nico reservatrio central para todo o edifcio, existem pequenos reservatrios individuais.

O aquecimento complementar deve ser feito, preferencialmente, atravs de um sistema conjugado de aquecimento a gs natural. No se aconselha a utilizao de aquecedor de acumulao individual com queimador incorporado em funo da eficincia e dificuldade para controles.

Legenda: AQ aquecedor a gs natural M medidor de consumo V vlvula de controle B bomba de recirculao T painel termosttico R redutora de presso

Red

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ecircu

la

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Red

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consumo

consumo

consumo


Neste caso deve-se prever sistema de recirculao individual, que identificam se a temperatura do reservatrio encontra-se abaixo de um valor pr-selecionado, acionando a captao de gua quente do sistema de aquecimento solar at que seja atendida a temperatura desejada.

No caso do sistema de aquecimento solar no ter gua em temperatura superior que a do reservatrio, acionado o sistema de aquecimento a gs natural, responsvel pelo aquecimento suplementar do reservatrio. Na Figura 28 h um esquema tpico deste tipo de sistema.

Figura 28 Esquema sistema solar com sistemas conjugados individuais Fonte: Apostila de Treinamento Eng Jorge Chaguri

Neste sistema, como o aquecimento dos reservatrios feito atravs de serpentinas, no h a mistura de presses da rede, o que evita a necessidade de redutoras de presso no sistema de distribuio coletivo de gua quente (no dispensando, no entanto, a reduo da presso de gua fria), conforme Figura 29.

Consumo

Consumo

Consumo


Figura 29 Detalhe a reduo de presso no sistema de gua fria

Como a alimentao de gua quente privilegia as unidades habitacionais mais prximas da central de aquecimento solar (coletores), o que pode provocar um consumo maior de gs nas unidades habitacionais de andares mais baixos, o rateio do consumo de gua fria e gs deve ser feito atravs de software de medio remota ou outro mecanismo considerado adequado.

6.4 Aquecimento solar associado a sistema conjugado coletivo a gs

natural

Esta configurao a que mais se aproxima do sistema convencional de aquecimento solar. Nela os coletores aquecem a gua que armazenada em um reservatrio central, de dimenso tal que permite o abastecimento de gua quente para toda a edificao.

Devido s variaes no suprimento de gua quente e capacidade de recuperao do sistema de aquecimento solar, o tamanho do reservatrio necessrio para atender a demanda prevista do edifcio pode tornar a soluo invivel do ponto de vista prtico. Nesses casos, possvel a adoo de reservatrios independentes, um para armazenamento de gua quente proveniente do sistema de aquecimento solar e outro para o sistema de aquecimento central a gs natural. Dessa forma, o sistema de aquecimento a gs natural aquece apenas o reservatrio destinado e dimensionado para este apoio, otimizando o funcionamento de todo o sistema.

Legenda: AQ aquecedor a gs natural M medidor de consumo B bomba de recirculao R redutora de presso

consumo

consumo

consumo

consumo

continuao

sistema baixo


O sistema de aquecimento solar responsvel pelo pr-aquecimento da gua a ser utilizada na edificao. O sistema central a gs natural se utiliza dessa gua pr-aquecida e complementa seu aquecimento temperatura desejada, sempre que considerado necessrio. A Figura 30 ilustra um sistema de aquecimento solar associado a um sistema de aquecimento central a gs natural.

Figura 30 Esquema sistema solar com sistema conjugado coletivo Fonte: Apostila de Treinamento Eng Jorge Chaguri

Nesta configurao, quando incorporado um sistema de recirculao de gua quente interno ao apartamento, necessrio considerar sistemas de medio de consumo compatveis, prevendo-se as margens de erros dos medidores ligados na entrada e na sada.

6.5 Componentes do sistema de aquecimento solar associado ao gs

natural

A Tabela 1 apresenta os principais componentes encontrados nos sistemas de aquecimento solar e gs natural, bem como as suas respectivas funes.

Tabela 1 Componentes dos sistemas de aquecimento

Item Componente Funo

1. Coletor solar

Converter energia radiante em energia trmica

2. Reservatrio trmico

Acumular energia trmica na forma de gua aquecida

3. Controlador diferencial de temperatura

Controlar o funcionamento da moto-bomba hidrulica do sistema de aquecimento (possui funes de segurana)

4. Sensor de temperatura

Medir a temperatura da gua em pontos especficos

5. Reservatrio de expanso Proteger o sistema contra variaes de presso e expanso volumtrica durante o funcionamento do sistema

6. Vlvula de alvio de presso Aliviar automaticamente a presso do sistema caso a presso mxima seja atingida

7. Vlvula de reteno

No permitir o movimento reverso da gua

8. Vlvula eliminadora de ar

Permitir a sada de ar do sistema

pontos de

consumo Aquecedor

(gs natural)


Item Componente Funo

9. Vlvula quebra-vcuo Aliviar presses negativas formadas durante o funcionamento do sistema, permitindo a entrada de ar

10. Dreno

Possibilitar o escoamento ou drenagem da gua do sistema

11. Moto-bomba

Promover a circulao forada da gua pelo sistema

12. Tubos e conexes

Interconectar os componentes e transportar gua aquecida

13. Isolamento trmico Minimizar perdas trmicas dos componentes e acessrios do sistema

14. Respiro Equalizar presses positivas e negativas do sistema e permitir a sada de ar e vapor

15. Aquecedor de passagem a gs natural

Suprir a demanda trmica complementar do sistema

16. Central de aquecimento a gs natural


17. Sistema conjugado de aquecimento a gs natural


6.5.1 Reservatrio

Os reservatrios podem ser de trs tipos: simples, com serpentina interna e com camisa. No reservatrio simples a gua de consumo a mesma que passa pelo sistema de aquecimento, chamado de sistema direto de aquecimento. O reservatrio com serpentina e o reservatrio com camisa so sistemas de aquecimento indireto, onde a gua quente circula pela serpentina, ou pela camisa externa, e troca calor por conduo, sem contato direto com a gua destinada ao consumo. Esses modelos so mostrados na Figura 31.

Figura 31 Tipos de reservatrios

Com o reservatrio simples tambm possvel trabalhar com um circuito indireto, quando utilizado um trocador de calor externo ao reservatrio.

6.5.2 Trocador de calor

Os trocadores de calor so equipamentos que promovem a troca de calor entre dois fludos sem que estes se misturem. Para isto existem diversos modelos, podendo ser do tipo serpentina, placa,


aletas etc. Na Figura 32 so apresentados dois exemplos de trocadores de calor, do tipo placa e serpentina.

Figura 32 Detalhe do trocador de placa

A instalao de um trocador de calor entre os coletores solares e o reservatrio, ou o sistema de distribuio, permite que se utilize um fludo circula pelos coletores que tenha caractersticas que propiciem uma maior durabilidade dos equipamentos e que impea formao de gelo no interior dos coletores solares.

Na Figura 33 apresentado um exemplo de trocador de calor instalado entre o coletor solar e o sistema de distribuio hidrulica.

Figura 33 Detalhe da incorporao de trocador de calor

6.6 Aquecimento de piscinas

Alm da gerao de gua quente para uso sanitrio, o sistema de aquecimento solar com apoio a gs natural pode atender a diversas outras demandas de calor que podem ser incorporadas aos sistemas hidrulicos apresentados neste captulo.

Um exemplo de aplicao o aquecimento de piscina, que pode ser aquecida aproveitando o mesmo sistema hidrulico projetado para o aquecimento de gua. As alternativas para a incorporao so diversas e dependem das configuraes da edificao, das dimenses da piscina a ser aquecida, entre outros fatores.


Na Figura 34 h um exemplo de como incorporar o aquecimento de piscina ao sistema de aquecimento central coletivo a gs natural e solar.

Porm, a utilizao do sistema de aquecimento central para aquecimento de piscina exige a incorporao do dimensionamento da piscina no dimensionamento do sistema de aquecimento solar e gs, bem como a introduo de sistema de controle que possibilite selecionar o uso da energia solar para os diferentes usos.

Figura 34 Incorporao de aquecimento de piscina


7 Dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar & gs natural

7.1 Introduo

O dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar com apoio a gs natural deve contemplar as diversas particularidades de cada um dos sistemas independentes, alm das caractersticas da edificao, projeto, demanda de gua quente dos usurios, entre outros fatores. Neste captulo apresentamos uma metodologia padro de dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar, do sistema de aquecimento a gs natural e a sua composio como sistema unificado, o que no impede que outras formas de clculo possam ser utilizadas, principalmente visando as especificidades de cada instalao.

7.2 Clculo da demanda de gua quente

Existem diversas metodologias para o clculo da demanda de gua quente ou fria, disponveis na literatura. Os mtodos que apresentamos a seguir so considerados vlidos dentro do escopo deste Manual. Considera-se que o consumo de gua quente seja feito 40C.

7.2.1 Mtodo das vazes dos pontos de consumo

Uma das formas de se obter o volume dirio de gua quente a ser disponibilizado para consumo atravs de levantamento dos consumos individuais de cada aparelho sanitrio que possui previso de consumo de gua quente. Nesse levantamento devem ser verificadas as vazes de funcionamento desses aparelhos, considerando principalmente a presso de trabalho da rede.

A somatria da vazo de cada aparelho multiplicada pelo tempo mdio de sua utilizao e pela freqncia que esses aparelhos so utilizados determina o volume de gua quente a ser disponibilizada para consumo, conforme frmula a seguir:

NfTmV upuconsumo

onde:

Vconsumo volume total de gua quente consumido diariamente na edificao (l/dia) mpu vazo do pea de utilizao (l/min) Tu tempo mdio de uso dirio da pea de utilizao (min) f nmero total de utilizao da pea por dia N quantidade de pessoas residentes na edificao


Dados informativos - Vazo das peas de utilizao

Aparelho sanitrio Pea de utilizao Vazo de projeto (l/min)

Banheira 18

Bid 6

Chuveiro ou ducha 12

Lavadora de pratos ou de roupas Registro de presso 18

Lavatrio 9

Pia 15

Misturador

Torneira ou misturador

Fonte: adaptado da Norma ABNT NBR 5626

7.2.2 Mtodo do volume mdio

Uma alternativa para a determinao do volume total de gua quente consumido diariamente na edificao utilizar uma estimativa do consumo per capta. O valor a ser adotado para o consumo por pessoa tem que estar fundamentado em diversas variveis, tais como: localizao geogrfica (cultura, temperatura ambiente, etc.), caractersticas de uso, perfil dos usurios, classe social, entre outras.

Alm disso, a determinao do nmero de usurios imprescindvel para a determinao do volume dirio de gua quente. Com isso, podemos definir o volume total de gua quente consumida diariamente na edificao como:

NVV diaconsumo

Onde:

Vconsumo volume total de gua quente consumido diariamente na edificao (l/dia) Vdia consumo de gua quente por dia por pessoa (l/dia) N quantidade de pessoas residentes na edificao

O volume dirio de gua consumida pela edificao pode tambm ser avaliado a partir do volume dirio consumido por cada unidade habitacional multiplicado pelo nmero de unidades da edificao. A determinao do volume de gua quente consumido diariamente na unidade habitacional pode ser determinada pela expresso:

oapartamentdiaindividual NVV

Onde: Vindividual volume de consumo dirio por unidade habitacional (l/dia) Vdia consumo de gua por dia, por pessoa (l/dia) Napartamento quantidade de pessoas residentes na unidade habitacional


Dados informativos Consumo dirio de gua quente por pessoa

Fonte Regio/Pas Pea de utilizao Volume (l/dia)

chuveiro 66 - 120

lavatrio 6 - 9,6

chuveiro 80

cozinha 10

lavatrio 5

Norma NBR 12269 - Anexo C (Informativo) (ABNT) Brasil

Recomendaes tcnicas para sistema solar

(Abrasip/Abrava)So Paulo/Brasil

NOTA: O volume de gua por dia quando no especificado o aparelho de uso geral. Quando especificado refere-se apenas o consumo dirio do aparelho.

Dados informativos Nmero de pessoas na edificao

Fonte Autor Regio/PasPessoas por

apartamento

Estudo realizado com pesquisa de mercado Jorge Chaguri So Paulo 2 por dormitrio

Dados estimados com dados IBGE Abrava Brasil 3,6

Recomendaes tcnicas para sistema solar Abracip/Abrava So Paulo1 por dormitrio + 1

(mximo 5 pessoas) (1)

NOTA

(1): Nesse caso multiplica-se o total de pessoas por um fator de ocupao, que varia conforme a quantidade de

apartamentos no edifcio, sendo F =1 para edifcios com menos de 10 apartamentos, F = 1,2 0,02 x (apartamentos) para edifcios de 10 a 25 apartamentos e F = 0,7 para edifcios com mais de 25 apartamentos.

7.2.3 Mtodo das vazes mximas

Para o clculo da vazo mxima de gua a ser consumida instantaneamente preciso somar as vazes dos pontos de consumo que podem ser utilizadas instantaneamente, da seguinte forma:

pontosconsumomxima QPm onde: mmxima vazo mxima de gua quente demandada na unidade habitacional Pconsumo pontos de consumo de gua quente

Qpontos vazo de gua quente no ponto de consumo (l/min)

7.3 Clculo das perdas trmicas no trajeto

As redes de distribuio de gua quente, independente de seu comprimento, possuem perdas trmicas que so quantificadas em funo da diferena de temperatura, material aplicado, qualidade da instalao, etc.

No sistema de distribuio de gua quente da edificao, a gua quente est em contato com a parede da tubulao, embutida ou aparente, a temperaturas mais baixas. Consequentemente


haver perda de calor da gua para as tubulaes, reduzindo a temperatura requerida no ponto de consumo.

A literatura tcnica (Mariotoni, Ilha 1993) apresenta detalhes sobre o clculo de perda de calor em tubulaes aparentes e embutidas do sistema de distribuio de gua quente, e extrapola as intenes deste Manual. No entanto, recomenda-se que essas perdas sejam consideradas em todos os clculos de dimensionamento do sistema de aquecimento.

7.4 Dimensionamento do sistema de aquecimento solar

O dimensionamento do sistema de aquecimento solar pode ser realizado atravs das etapas apresentadas a seguir, conforme estabelecido na ABNT NBR 15569.

7.4.1 Clculo do reservatrio do sistema central coletivo

O reservatrio do sistema central coletivo calculado para atender a todas as unidades de consumo, sendo que o seu dimensionamento feito da seguinte forma:

friaguaarmaz

friaguaconsumoconsumo

armazTT

TTVV

.

.

.

onde:

Vconsumo volume total de gua quente consumido diariamente na edificao (l/dia) Varmaz volume de armazenamento do sistema de aquecimento solar (l)

(sugere-se que Varmaz. 75% Vconsumo) Tconsumo temperatura de consumo de utilizao (C) (sugere-se que seja adotado 40C)

Tarmaz temperatura de armazenamento da gua (C) (Tarmaz Tconsumo) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao (C)

7.4.2 Clculo do reservatrio do sistema central privado

O reservatrio do sistema central privado utilizado para suprir as necessidades de consumo de cada unidade habitacional, sendo o dimensionamento executado da seguinte forma:

friaguaarmaz

friaguaconsumoindividual

indarmazTT

TTVV

.

.

.

onde: Varmaz ind volume armazenado de gua quente por unidade habitacional (l/uda) Vindividual volume de consumo dirio por unidade habitacional litros (l) Tconsumo temperatura de consumo de utilizao (C) Tarmaz temperatura de armazenamento da gua (C) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao (C)


7.4.3 Clculo da rea de coletores

A rea de coletores calculada em funo da energia necessria para promover o aquecimento do volume de armazenamento para atendimento do consumo previsto. Os clculos so realizados atravs das equaes apresentadas a seguir. Clculo da demanda de energia til

friaguaarmazarmaztil TTCpVE .

onde:

Eutil energia til (kWh/dia) Varmaz volume de armazenamento do sistema de aquecimento solar (l)

(sugere-se que Varmaz. 75% Vconsumo) massa especfica da gua (igual a 1 kg/l) Cp calor especfico da gua (igual a 11,63 x 10

-4 kWh/(kg.C))

Tarmaz temperatura de armazenamento da gua (C) (Tarmaz. Tconsumo) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao (C)

Clculo da rea coletora

G

instalperdastil

coletoraIPMDEE

FCEEA

901,4)(

onde:

Acoletora rea coletora (m) IG valor da Irradiao Global horizontal mdia diria, incidente no plano horizontal,

para o local de instalao (kWh/m.dia) (Sugere-se consultar o atlas brasileiro de energia solar)

Eutil energia til (kWh/dia) Eperdas somatria das perdas trmicas dos circuitos primrio e secundrio (KWh/dia),

calculada atravs da equao: tilperdas EE 15,0

PMDEE produo mdia diria de energia especfica do coletor solar (kWh/m), calculada atravs da equao:

FrUFrPMDEE 0249,0901,4

Fr,, e U so os parmetros definidos no captulo 5.

FCInstal fator de correo para inclinao e orientao do coletor solar dado pela equao:

(para 15 < < 90) ]105,3102,1[1

12524

timo

InstalFc

(para 15) ]102,1[1

124

timo

InstalFc


Onde:

inclinao do coletor em relao ao plano horizontal () timo inclinao tima do coletor para o local de instalao () (sugere-se adotar o valor de mdulo da latitude local + 10)

ngulo de orientao do coletor solar em relao ao norte geogrfico ()

7.5 Dimensionamento dos aquecedores de passagem a gs natural

Existem vrios tipos de aquecedores de gua a gs natural com diferentes potncias, fornecendo diferentes vazes de gua quente. A definio do aquecedor adequado ser em funo da vazo mxima a ser atendida.

7.5.1 Determinao das vazes instantneas

Para o levantamento das vazes instantneas mximas deve-se levar em considerao o perfil dos usurios e a quantidade de pessoas de uma unidade habitacional.

Recomenda-se que a vazo do aquecedor seja igual ou maior que a somatria das vazes dos pontos de consumo que podem estar em funcionamento simultaneamente.

7.5.2 Determinao da potncia de aquecedores de passagem

A potncia dos aquecedores de passagem pode ser calculada de acordo com a seguinte expresso:

)( . friaguaconsumomxima TTcmQ

onde:

Q potncia til do(s) aquecedor(es) (kcal/h) mmxima vazo mxima de gua demandada simultaneamente (l/h) c calor especfico da gua (igual a 1 kcal/kg.C) Tconsumo temperatura de consumo de utilizao (C) (sugere-se que seja adotado 40C) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao.

As vazes dos pontos de consumo podem ser determinadas atravs de consulta aos fabricantes das peas (duchas, torneiras, etc) a serem instaladas nas dependncias da unidade habitacional, ou atravs de referncias de Normas ou estudos tcnicos. Dados informativos encontram-se disponveis em 7.2.1.

7.6 Dimensionamento do sistema de acumulao individual

O dimensionamento do sistema de acumulao individual realizado com base no volume de gua quente solicitado durante o perodo de maior consumo, conforme as etapas apresentadas a seguir.


7.6.1 Clculo do volume de gua quente em uma hora do perodo de maior consumo

O clculo do volume de gua quente necessrio no perodo de maior consumo (para efeito prtico considera-se o perodo de 1 hora) realizado adotando-se fator de simultaneidade aplicado ao volume de consumo dirio, conforme a seguinte expresso:

individualindividualpico FSVV

onde:

Vpico volume de gua quente mximo consumido em uma hora (l); Vindividual volume de consumo dirio por unidade habitacional (l) FSindividual fator que representa a simultaneidade de uso, em uma unidade habitacional;

Dados informativos Para a determinao do Fator de Simultaneidade do consumo de gua quente de cada unidade habitacional pode ser utilizado o valor de 0,45.

Fonte: Apostila de treinamento Eng Jorge Chaguri

7.6.2 Clculo do volume mnimo de gua quente armazenada

Determinado o volume de gua necessria para suprir a hora de maior consumo, define-se o volume mnimo do reservatrio de gua quente atravs de um fator de armazenamento, conforme seguir:

armazpicogsarmaz FVV .

Onde,

Varmaz gs volume mnimo de armazenamento do sistema de aquecimento a gs (l) Vpico volume de gua quente mximo consumido em uma hora (l) Farmaz fator de minorao para determinar o volume mnimo de armazenamento

Dados informativos Fator de armazenamento

Volume na hora de maior consumo (l) Fator de armazenamento (Farmaz)

0 a 1.500 1/3

1.501 a 6.000 1/4

6.001 a 12.000 1/5

12.001 a 20.000 1/6

20.001 - 1/7



7.6.3 Determinao da potncia dos aquecedores a gs natural

Para determinar a potncia dos aquecedores a gs natural necessrio definir a capacidade de recuperao do reservatrio no instante mais crtico, determinado anteriormente como sendo a hora de maior consumo. Calcula-se o volume de recuperao do sistema como sendo a diferena entre o volume de gua quente demandado e o volume armazenado, calculado pela seguinte expresso:

gsarmazpicorecup VVV .

Onde:

Vrecup volume necessrio para recuperao do sistema na hora mais crtica (l/h) Vpico volume de gua quente mximo consumido em uma hora (l) Varmaz gs volume de armazenamento do sistema de aquecimento a gs (l)

Definido o volume necessrio de recuperao do sistema preciso calcular a potncia do aquecedor que atende a estas condies, de acordo com a seguinte expresso:

friaguaarmazrecup TTcVQ ..

Onde:

Q potncia til do(s) aquecedor(es) (kcal/h) Vrecup volume necessrio para recuperao do sistema na hora mais crtica (l/h) c calor especfico da gua (igual a 1 kcal/kg.C) Tarmaz temperatura de armazenamento da gua (C) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao (C)

7.7 Dimensionamento do sistema central coletivo a gs natural

7.7.1 Clculo do volume dirio de gua quente

Para o clculo do volume de gua quente necessrio na primeira hora deve-se utilizar o volume de gua quente mximo possvel consumido durante uma hora, corrigido pelas temperaturas de banho e ambiente, utilizando-se a seguinte expresso:

friaguaarmaz

friaguaconsumoconsumo

dirioTT

TTVV

.

.

.

onde, Vdirio volume dirio consumido de gua quente (l) Vconsumo volume total de gua quente consumido diariamente (l/dia) Tconsumo temperatura de consumo de utilizao (C) (sugere-se que seja adotado 40C)

Tarmaz temperatura de armazenamento da gua (C) (Tarmaz. Tconsumo) Tgua fria temperatura da gua fria do local de instalao (C)


7.7.2 Clculo do volume de gua quente em uma hora do perodo de maior consumo

O clculo do volume de gua quente necessrio no perodo da hora de maior consumo realizado adotando-se fator de simultaneidade aplicado ao volume de consumo dirio, conforme a seguinte expresso:

FSVV diriopico

Onde:

Vpico volume de gua quente mximo consumido em uma hora (l) Vdirio volume dirio consumido de gua quente (l) FS fator que representa a simultaneidade de uso em uma hora Alternativamente, o valor de pico pode ser obtido diretamente de levantamentos prticos ou de grficos de simultaneidade disponveis no mercado.

Dados informativos Volume de pico


7.7.3 Clculo do volume mnimo de g

Manual de Instalações - Sistema de Aquecimento Solar e Gás Natural - COMGAS 2009

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