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INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS

CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

SISTEMA SOLAR TÉRMICO

E SEUS COMPONENTES

Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz

PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Um Sistema de Aquecimento Solar (SAS) é composto por:

coletor(es) solar(es), reservatório(s) térmico(s), aquecimento

auxiliar, acessórios e suas interligações hidráulicas, que

funciona por circulação natural ou forçada.

../Vídeos/Sistema de Aquecimento Solar Residencial %5b720p%5d.mp4


A transferência de energia entre cada um destes elementos

é assegurada pelos circuitos: primário (transferência de

energia captada nos coletores para seu armazenamento) e

secundário (abastecimento e distribuição da água na rede.


COLETOR SOLAR


Dispositivo que absorve a radiação solar incidente,

transferindo-a para um fluido de trabalho, sob a forma de

energia térmica.

No Brasil e em muitos outros países concorre com, ou

substitui o chuveiro elétrico, o que lhe outorga um elevado

grau de competitividade.

Experiência: Discutam sobre a temperatura para cada caso.


PRINCIPAIS TIPOS DE COLETORES PARA AQUECER ÁGUA E AR


Analisando o mercado mundial de aquecimento solar o

coletor mais utilizado é o tubo de vácuo, com uma

participação de 47%, seguido de 33% de coletor plano e 19%

de coletores abertos. No Brasil, o modelo mais utilizado é o

coletor plano fechado com 62%, seguido do coletor aberto

com 34%, o restante é atribuído ao coletor tubo de vácuo.


COLETORES PLANOS, ABERTOS E

DE TUBOS DE VÁCUO


- Coletores planos

Os coletores planos são fabricados com uma série de

componentes metálicos e material isolante térmico

acondicionando em uma caixa coberta por um vidro. São

equipamentos destinados a aquecer a água a temperaturas

compatíveis ao uso sanitário (Temperatura de 70 a 80 oC).


O coletor solar plano é composto por elementos responsáveis pelo

melhor aproveitamento possível da radiação solar:

Caixa externa: suporta todo o conjunto, sendo fabricada principalmente

em alumínio ou material termoplástico.

Cobertura transparente: permite a passagem da radiação solar, reduzindo

as perdas de calor por convecção e por radiação para o meio ambiente.

O vidro liso comum é o mais utilizado no Brasil.

Vedação: garante a estanqueidade do coletor, aumentando sua vida útil.

O material mais empregado é o silicone, embora comecem a ser usados

selantes poliméricos, como EPDM e poliuretano.


Isolamento térmico: minimiza as perdas de calor para o meio, ficando em

contato direto com a caixa externa, revestindo-a. Os materiais isolantes

mais utilizados são o poliuretano e a lã de vidro.


Tubos (flauta/calhas superior e inferior): são os tubos de distribuição por

onde a água escoa no interior do coletor – da calha inferior para a calha

superior. Normalmente de cobre, devido à sua alta condutividade térmica

e resistência à corrosão.

Placa absorvedora (aletas): responsável pela absorção e transferência da

energia solar para a água a ser aquecida (Alumínio ou cobre pintadas

com tinta preta e fosca).


Tipos de cobertura:

Cobertura Vidro Plástico

Transmissão Estabilidade a longo prazo Deterioração

Estabilidade Estável Baixo

Peso Elevado Baixo

Preço Elevado Baixo

IMPORTANTE!

SEMPRE QUE POSSÍVEL, DEVE-SE EVITAR

COLOCAR O COLETOR EM LUGARES COM

SOMBRA. ALÉM DISSO, É FUNDAMENTAL

QUE O VIDRO ESTEJA SEMPRE LIMPO, PARA

PERMITIR A PASSAGEM DOS RAIOS SOLAR


Caso de estudo: Revestimento anti-reflexo

As coberturas de vidro normalmente utilizadas refletem cerca de

4% da radiação em ambos os lados da superfície do vidro. Este

fator, junto com a absorção da radiação pelo vidro, permite a

transmissão de 91% da luz para o coletor solar.

Através de um tratamento das superfícies do vidro, a reflexão é

reduzida e a capacidade de transmitir a luz é aumentada de 91

para 96%. Neste processo a superfície da cobertura apresenta

rugosidade reduzindo-se o índice de refração de 1,53 para 1,3.


- Coletores planos

Vantagens:

- Mais barato que um coletor de vácuo;

- Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado,

integrado no telhado, montado na fachada e de instalação

livre);

- Tem um boa taxa de preço/performance;

Desvantagens:

- Menor eficiência em relação aos coletores de vácuo;

- Não serve para gerar altas temperaturas, (geração de

vapor, fornecimento de calor para máquinas de

refrigeração);

- Exige mais espaço do que os coletores de vácuo.


- Coletores sem cobertura

O coletor solar aberto normalmente é fabricado para aquecer

piscinas. Devido à ausência da cobertura de vidro e do

isolamento térmico, ele não atinge temperaturas elevadas

como o coletor coberto, podendo chegar ao máximo a 40 °C.


- Coletores planos sem cobertura

Vantagens:

- A placa absorvedora substitui a cobertura do telhado para

a área definida pelo dimensionamento, reduzindo os

custos na aquisição da cobertura;

- Está disponível para diversas formas de telhado: telhados

planos, telhados inclinados (pode ser adaptada a curvas

suaves);

- É uma solução mais estética para telhados em alumínio.

Desvantagens:

- Por causa da baixa performance é necessário instalar uma

superfície de coletores maior do que para outros tipos.


- Coletores planos sem cobertura

Características:

– Os coletores solares de piscina não podem ser de metal pois

os produtos químicos utilizados para a limpeza da água da

piscina danificariam os tubos.(Geralmente em polipropileno).

– Os coletores solares para piscina não possuem um

reservatório térmico. A água circula entre a piscina e os

coletores, sendo que o controle de temperatura é feito através

de um termostato que aciona a bomba de circulação somente

até atingir a temperatura desejada.

– A circulação de água dos coletores de piscina sempre é feita

com o auxílio de bombas e controladores de temperatura.

VÍDEO

../Vídeos/Como Funciona Aquecedor Solar Piscina (Instalação) %5b720p%5d.mp4


Coletores Tubo de Vácuo

O coletor de tubo de vácuo é formado por um conjunto de tubos

verticais ligados entre si na parte superior do coletor. A água ou o

fluido circulam por esse conjunto de tubos e transferem o calor à

água que circula na parte superior do coletor.

São recomendados em locais com pouca radiação, em clima frio ou

quando há necessidade de atingir temperaturas acima de 100 °C.


Coletores Tubo de Vácuo

O tubo externo funciona como a caixa externa e a cobertura,

ou seja, protege os componentes internos do produto e dificulta

que os raios solares que entraram saiam do tubo.

Entre ele e o tubo interno, existe uma camada de vácuo

atuando como isolamento térmico.

O tubo interno funciona semelhante a aleta e a serpentina,

esse tubo é pintado utilizando uma tinta seletiva e o calor

absorvido é transferido para a água que circula dentro dele.


Vantagens:

- Apresenta boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de

temperatura entre o absorsor e o meio envolvente;

- Apresenta boa eficiência com baixa radiação;

- Ausência de metais, o que evita problemas causados por

corrosão;

- Atinge elevadas temperaturas, possibilitando a utilização em

sistemas de ar condicionado e produção de vapor.

Desvantagens:

- Mais caro do que um coletor plano;

- Risco do coletor perder o vácuo com entrada de ar no tubo,

reduzindo a eficiência do sistema.

VÍDEO

../Vídeos/O SEGREDO do coletor solar DE TUBO À VÁCUO %5b720p%5d.mp4


Coletores (Eficiência Térmica)


RESERVATÓRIOS TÉRMICOS


Em um SAS a água é aquecida pelos coletores solares e

ocorre naturalmente entre 8h e 16h, dependendo do nível de

radiação incidente.

Entretanto, essa água quente pode ser utilizada durante as 24

horas do dia e, portanto, precisamos providenciar seu

armazenamento para atender toda a demanda diária.

Esse armazenamento é feito com reservatórios térmicos (RT)

ou boilers.


As partes constituintes do reservatório térmico sem apoio

elétrico são mostradas na Figura:

Corpo interno: fica em contato direto com a água aquecida. O material

mais utilizado no corpo interno é o aço inoxidável, contudo se utiliza

também, o aço carbono, o cobre, ou o polipropileno.

Suportes: os reservatórios térmicos possuem bases de sustentação e

fixação capazes de suportar seu peso quando cheio de água. São

fabricadas em materiais metálicos protegidos contra corrosão.


Isolamento térmico: minimiza as perdas de calor para o meio, sendo

colocado sobre a superfície externa do corpo interno. A lã de vidro e a

espuma de poliuretano são os materiais mais utilizados.

Proteção externa: tem a função de proteger o isolante de intempéries

(umidade) e danos no transporte ou instalação. Essa proteção é

normalmente de alumínio, aço galvanizado ou aço carbono pintado.

Tubulações: tem a função de interligar o reservatório térmico aos pontos

de consumo, alimentação de água fria e demais componentes da

instalação (coletores solares, sistemas de aquecimento auxiliar e etc).


- Alguns reservatórios possuem apoio elétrico, contendo uma ou

mais resistências elétricas em contato com a água armazenada.

O acionamento pode ser com termostato ou manual.

Sabe como

funciona um

Termostato?


- Para o aquecimento complementar, também se utiliza

aquecedores instantâneos a gás:


Uma opção usada em habitações de interesse social é o

próprio chuveiro elétrico. Em dias ensolarados, a

resistência fica na posição “desligada” e nos períodos em

que o aquecimento solar necessita de complementação, a

resistência deve ser ligada na posição “verão” ou “inverno”.


Os reservatórios devem garantir temperatura mínima de 50 °Cou fornecerem ciclos de aquecimento até esta temperatura,

para evitar o possível surgimento da legionella – bactéria que

causa pneumonia, pois ela se prolifera em ambientes úmidos,

escuros e com temperatura entre 35 e 40 °C.


ESTRATIFICAÇÃO EM UM BOILER:

Fenômeno que se observa na água aquecida no interior do

reservatório térmico. O volume de água a uma temperatura

menor sempre tende a fica abaixo de outro volume de água a

temperatura maior, como consequência formam-se diferentes

camadas com variações de temperatura a partir da camada

superior até a camada inferior desse volume armazenado,

conhecidas por faixas de estratificação.


Os reservatórios podem ser fabricados para instalação na

posição horizontal ou vertical.

Para melhorar a estratificação recomenda-se a instalação de

reservatórios verticais.

Quando o projeto arquitetônico não comporta tal configuração,

adota-se a posição horizontal (mais usado no Brasil).


Como podemos observar nas imagens (Termografia), sem

estratificação seria impossível retirar o volume de água quente

para o banho. Ao invés disso, acabaríamos com um volume

maior de água morna.


Comparativo de Preços para uma piscina com 25 m x 3,50 m x 2,0 m


PESQUISA E APRESENTAÇÃO (10 min):

- Sistema de Circulação por Termossifão;

- Sistema de Circulação Forçada;

- Temperatura de Estagnação (Problemas e Soluções).


ACESSÓRIOS DE UM SAS


ACESSÓRIOS (CAIXA REDUTORA DE PRESSÃO):

Visa diminuir a pressão da água que vem da rua antes dela

entrar no sistema de aquecimento solar. Sem ela, a pressão

da água da rede pode estourar as conexões do reservatório

térmico causando vazamentos. O volume da caixa redutora

deve ser de, no mínimo, 10 litros.


ACESSÓRIOS (TUBULAÇÕES):

As tubulações fazem a conexão entre os componentes, como

a ligação entre o reservatório e o coletor, entre o

fornecimento de água fria e o SAS e, ainda, a conexão de

água quente do sistema até o ponto de utilização.

Essas são diferentes entre si, pois cada uma tem um

propósito. Por exemplo, a tubulação da saída do coletor tem

que suportar a alta temperatura e pressão da água.


ACESSÓRIOS (ISOLAMENTO TÉRMICO):

Toda a tubulação do circuito primário por onde circule água

quente deve ser termicamente isolada. No caso do circuito

secundário, o isolamento será feito apenas se o cobre for

utilizado, porque para os outros materiais (CPVC e EPDM) o

isolamento só é necessário quando o comprimento do tubo for

muito grande.

Os materiais mais utilizados para o isolamento térmico são:

- O polietileno expandido;

- Lã de Vidro;

- Lã de Rocha.


ACESSÓRIOS (ISOLAMENTO TÉRMICO):

Para casos em que a tubulação fica exposta na parte externa

do telhado, é importante também o uso de um segundo

material que protege o isolamento, garantindo sua qualidade e

vida útil.

Para essa proteção podem ser usadas a folha de alumínio

corrugado e a fita aluminizada, que protegem o isolamento

dos raios UV, da chuva e dos ventos.


ACESSÓRIOS (DISPOSITIVOS ANTICONGELAMENTO):

Em algumas localidades, a temperatura pode ser muito baixa

em determinadas épocas do ano. Assim, a água dentro do

sistema pode congelar danificando o sistema.

A água, ao congelar, se expande. No coletor, a expansão da

água estoura os tubos.

Para evitar que isso ocorra se utiliza a válvula

anticongelamento (VAC).

A água que está no coletor é

retirada em pequenas

quantidades e substituída

pela água quente do RT antes

que ocorra o congelamento.


ACESSÓRIOS (DISPOSITIVOS ANTICONGELAMENTO):

Tipos:

Expansão e

Contração

de um Gás

Liberando

água 6 °C

Termostato

Liberando

água do

coletor a 6 °C


ACESSÓRIOS (RESPIRO, SUSPIRO OU ELIMINADOR DE AR):

O respiro é um dispositivo que deve ser instalado na parte

superior do reservatório térmico.

Ele tem a função de aliviar a pressão interna do reservatório

térmico, que possui água quente em seu interior.

Ele também pode ser instalado em pontos críticos do sistema,

(pontos onde a temperatura elevada causa aumento da

pressão, como na saída de água quente para o consumo).


ACESSÓRIOS (MISTURADORES):

No chuveiro deve chegar uma tubulação de água quente vinda

do aquecedor solar e outra de água fria. Então se faz

necessário ter um dispositivo que misture essas águas, para

que o usuário possa escolher a temperatura mais confortável.

Misturador do tipo Y


ACESSÓRIOS (CONTROLES):

Sistemas de controle são essenciais para otimizar o

funcionamento dos SAS, permitindo melhor aproveitamento da

radiação solar e da redução das perdas térmicas do sistema.

O sistema mais simples utilizado em um SAS com circulação

forçada, é o de monitoramento da temperatura diferencial

entre os coletores solares e o reservatório térmico.


Os principais tipos de sistemas de controle que podem ser

utilizados são os seguintes:

- Alerta de mau funcionamento;

- Aquecimento seco (quando o tanque está sem água);

- Configuração e controle de temperatura e aquecimento;

- Controle remoto de temperatura (permite ajustar a

temperatura ideal para diferentes pontos de consumo);

- Desligamento automático em caso de super aquecimento;


ACESSÓRIOS (BOMBAS):

As bombas são usadas em sistemas de circulação forçada,

onde a água ou fluído térmico precisa circular com velocidade

e fluxos específicos de forma a garantir o funcionamento e

eficiência do sistema de aquecimento.

O tamanho das bombas depende do tamanho do sistema e da

distância/altura entre os coletores e o reservatório térmico.


ACESSÓRIOS (VÁLVULAS TERMOSTÁTICAS):

As válvulas misturadoras, ou termostáticas, tem a função de

controlar, ou limitar, a temperatura da rede de distribuição de

água quente, adicionando água fria, caso a rede esteja com

temperaturas mais elevadas que a pré-estabelecida.

A sua temperatura de acionamento pode ser regulada, sendo

que as mais comuns trabalham entre 49 e 71 °C


ACESSÓRIOS (VASOS DE EXPANSÃO):

Os vasos de expansão são itens de segurança

imprescindíveis para os sistemas de aquecimento indiretos,

pois absorvem parte das variações de pressões da rede

geradas por expansão térmica (variação de temperatura).

Nesses vasos existe uma câmara onde o ar é preso dentro de

um diafragma, que se expande ou contrai de acordo com a

pressão no sistema.


CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR


Classificação quanto ao porte

A definição do porte de uma instalação de aquecimento solar estáintrinsecamente associada ao volume diário de água a ser aquecidae às características da edificação onde o sistema será instalado.



Classificação quanto ao escoamento da água no circuito primário

No circuito primário, a água pode escoar em circulação natural (outermossifão) ou em circulação forçada (por bombeamento).

A definição do porte de uma instalação de aquecimento solar estáintrinsecamente associada ao volume diário de água a ser aquecidae às características da edificação onde o sistema será instalado.


CIRCULAÇÃO NATURAL OU TERMOSSIFÃO



a) Instalação solar em circulação natural ou termossifão

O escoamento da água é devido exclusivamente à redução dedensidade que ocorre em função do aumento da temperatura daágua nos coletores solares .

Quando os raios solares atingem os coletores a temperatura da águacomeça a aumentar e, consequentemente, sua densidade diminui.Dessa forma, a água é empurrada pela coluna de água fria,retornando à parte superior do reservatório térmico.



Critérios recomendados para o SAS em circulação natural

Hs: Altura do suspiro deve ultrapassar pelomenos 30 cm o topo da caixa de água fria;Hrr: A caixa de água fria deve ser instaladapelo menos 15 cm acima do reservatóriotérmico;Hcr: O reservatório deve ficar de 20 cm a 4macima do topo do coletor solar;Dcr: corresponde à distância horizontal entreo centro do boiler e o topo do coletor.


Exemplo:

Calcule a altura mínima da cumeeira de uma obra residencial quereceberá um SAS com reservatório de 200 litros e diâmetro externode 60 cm, com a instalação de um coletor solar de 2m² do tipohorizontal com inclinação de 30o:Considere a altura da caixa de água fria de 500 litros igual a 715 mm.


Exemplo:

Como buscamos a altura mínima da cumeeira, também escolhemosa altura mínima recomendada entre os componentes do SAS.


Exemplo:

Para o cálculo de H1, será preciso recordar alguns conceitos datrigonometria. Vejamos a definição de sen(β).

Como o sen(30o) = 0,667, o valor de H1 será obtido pelo produto doseno e do comprimento do coletor (1m). O valor obtido é de0,667m, ou seja, 66,7 cm.


Exemplo:

Portanto, a altura total (Htotal) da base do coletor ao topo da caixa deágua fria será de:Htotal = 66,7 cm + 20 cm + 60 cm + 15 cm + 71,5 cm = 233,2 cm.Ou seja, 2,33 metros.


CIRCULAÇÃO FORÇADA OU BOMBEADA



b) Instalação solar em circulação forçada ou bombeada

A circulação do fluido de trabalho através do circuito primário deinstalação é promovida pela ação de uma bomba hidráulica.

O uso da bomba é recomendado para instalações de médio e grandeporte, e para casos nos quais não seja possível atender aosparâmetros exigidos para a circulação por termossifão.



Classificação quanto ao aquecimento da água a ser utilizada

a) Circuitos Diretos

Nesse tipo de instalação, a água que circula pelos coletores é amesma que será utilizada nos pontos de consumo da edificação.


b) Circuitos indiretos

O fluido que circula pelos coletores não é o mesmo utilizado nospontos de consumo da edificação. É adotado em locais onde a Tamb

pode trazer riscos de congelamento aos coletores, em processosindustriais ou em outras aplicações em que o fluido que seráconsumido não pode se misturar ao que circula pelos coletores.


ASSOCIAÇÃO DE COLETORES


A associação de coletores em série e paralelo obedece ao mesmoprincípio das associações clássicas de resistências elétricas.

a) Associação em série:

A água passa pelo primeiro coletor e sua temperatura é elevada deT1 para T2, dirigindo-se com igual vazão para o segundo coletor,sendo aquecida de T2 até T3.A cada novo coletor acrescentado, a variação de temperatura , quecorresponde ao ganho de energia, vai se tornando menor.


a) Associação em Paralelo:

A água entra no primeiro coletor à temperatura T1 e sua vazão édividida entre os dois coletores (saindo com temperatura T2).A cada novo coletor acrescentado, menor será a vazão que passa emcada coletor, mas a diferença de temperatura entre as respectivasentradas e saídas é sempre a mesma.


Se desejarmos aumentar vazões e temperaturas simultaneamente,precisaremos compor uma “Associação Híbrida”, definindo-se umavazão constante em cada coletor.

Assim, mais coletores instalados em série garantem aumento datemperatura da água à saída e mais coletores associados emparalelo permitem aumentar a vazão total de água aquecida.Na prática, normalmente precisamos de ambas as soluções e,portanto, em grandes obras, utilizam-se as associações mistas ouhíbridas.


conforme apresentado no exemplo a seguir

A figura mostra o desenho esquemático de um SAS com duas bateriasde coletores, sendo cada bateria constituída por quatro coletores.


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