Projetos Renováveis_WEB

7/26/2019 Projetos Renovveis_WEB

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Partindo dos dados de insolao e das estimativas de energia trmicanecessria para preparao de AQS, obtidos a partir do softwareSolTermdo Laboratrio Nacional de Energia e Geologia (LNEG), procedeu-se aodimensionamento de um sistema solar trmico do tipo circulao for-ada e, com recurso ao software Homer, de dois tipos de sistemas foto-voltaicos.

No primeiro sistema fotovoltaico, as AQS so produzidas atravs da ali-mentao de uma resistncia de aquecimento instalada no interior de um

termoacumulador. No segundo sistema, esse processo realizado atra-vs de um termoacumulador dotado de bomba de calor incorporada ede um permutador de calor do tipo serpentina no interior do mesmo, oqual procede transferncia de calor entre o fludo frigorgeno e as guasde consumo.

Por fim, apresentam-se as estimativas oramentais para cada um dos sis-temas e as ilaes a retirar da realizao do presente estudo.

1. IntroduoNos ltimos anos tem-se assistido a uma tendncia mais acentuada nodecrscimo dos custos dos componentes para sistemas fotovoltaicos do

que a dos componentes para sistemas solares trmicos.Tradicionalmente, tem-se verificado que a indstria tem vindo a adotar

os sistemas fotovoltaicos para produo de energia eltrica para diversosfins que no a produo de AQS, restringindo esse mbito aos sistemassolares trmicos.

No entanto, verifica-se que relativamente fcil proceder ao abaste-cimento desse tipo de cargas atravs de sistemas fotovoltaicos, pelo queno presente artigo se pretendem comparar os seus montantes de investi-mento inicial com os dos sistemas solares trmicos de circulao forada,para uma habitao do tipo T3 em Leiria.

2. Determinao das necessidades energticas para

produo de AQS

2.1. Caraterizao do edifcioO edifcio a que se refere este estudo localiza-se no concelho de Leiria e constitudo por:

Piso trreo:Dotado de hallde entrada, cozinha, dispensa, casa debanho, escritrio e garagem;

Andar:Dotado de trs quartos, um closete uma sala de estar;Cobertura: Dotada de telha lusa com uma inclinao de 30.

As principais divises do presente edifcio encontram-se orientadas aSul, sendo este situado numa zona que garante que a sua cobertura no sujeita a sombreamentos. A preparao de AQS no presente edifcio realizada atravs de um esquentador antigo, no termosttico, realizandoo aquecimento instantneo da gua de consumo atravs da queima de gsbutano.

Na Figura 1apresenta-se a seleo do concelho no SolTerm, bem comogrficos com os valores mdios mensais de insolao e temperatura emcada um dos meses do ano.

guas quentessanitrias solar trmicoversussolar fotovoltaico

Neste artigo apresenta-se a comparao entre um sistema solar trmico e dois tipos de sistemasfotovoltaicos no processo de produo de guas Quentes Sanitrias (AQS), para uma habitaodo tipo T3 no concelho de Leiria.

Edgar Franco [email protected]

Nuno Monteiro [email protected]

Figura 1 Introduo da informao relativa ao concelho onde se localiza o edifcio no soft-

ware SolTerm.


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2.2. Tratamento dos dados de consumoO dimensionamento do sistema solar trmico foi realizado atravs do sof-twareSolTerm do LNEG, observando as disposies legais do Sistema deCertificao Energtica (SCE) estabelecido pelo Decreto-Lei n. 118/2013,

de 20 de agosto e respetivas portarias e despachos complementares.Nesse sentido, segundo o Despacho n. 15793-I/2013, de 3 de dezem-

bro, deve-se considerar um consumo domstico dirio de referncia adeterminar atravs da aplicao da seguinte expresso:

M n f40AQS eh

=

Em que:M

AQS o consumo mdio dirio de AQS de referncia, expresso em

litros/dia;n o nmero convencional de ocupantes de cada frao autnoma,

o qual se dever considerar como sendo de 2 para edifcios dos tiposT0 e T1 e n+1 para tipologias Tn, com n 2;

feh

o fator de eficincia hdrica, o qual se dever considerar como

sendo de 0,9 para chuveiros ou sistemas de duche com rtulo A ousuperior e 1 para os restantes casos.

Devido ao facto de o presente edifcio ser unifamiliar e dispor de umatipologia do tipo T3, a varivel n+1toma o valor de 4. Pelo facto de se tra-tar de um edifcio existente e com sistemas de duche antigos, a varivel f

eh

toma o valor 1.Deste modo, o consumo dirio de referncia M

AQS de 40 4 1 =

160 litros/dia. Procedeu-se repartio horria dos consumos de AQS daforma que se apresenta na Figura 2, a qual se pressupe ser a mais pr-xima do consumo que se verifica atualmente na habitao.

No Despacho n. 15793-I/2013, de 3 de dezembro referido que oaumento de temperatura necessrio para a preparao das AQS tomao valor de referncia de 35 C. Devido ao recente surto de Legionella,optou-se por no considerar essa regra, atravs da definio da tempera-

tura mdia de 60 para as AQS acumuladas interior do termoacumulador1,conforme se pode verificar na Figura 2.

1 Devido ao facto da temperatura mdia da gua tomar o valor de 15,42 C, o disposto no Des-

pacho n. 15793-I/2013, de 3 de dezembro levaria adoo de uma temperatura de acumulao

de, aproximadamente 50 C, a qual no suciente para eliminar o r isco de contaminao com

Legionellana utilizao das AQS.

Por fim, selecionou-se a gua da rede como origem de abastecimento,cujas temperaturas mdias ao longo do ano constam da base de dados doSolTerm e se apresentam na Figura 2.

de referir que no manual do SolTerm mencionado que os perodos

horrios apresentados no editor de consumos se referem hora solar, masque a simulao do desempenho do sistema pouco sensvel diferenaentre a hora solar e a legal [1].

No referido manual ainda sugerido que os valores estimados paraa hora legal sejam atribudos hora solar anterior, no entanto, dada apequena dimenso do sistema em apreo, optou-se por no consideraressa recomendao.

2.3. Estimativa das necessidades energticasUma vez introduzidos os dados de consumo no SolTerm, possvel obtera estimativa da energia mdia mensal necessria para preparao de AQS,atravs do separador Anlise Energtica, cujos valores se apresentam nacoluna Carga da Figura 3.

Apagaram-se intencionalmente os restantes valores que se deveriamencontrar apresentados na Figura 3, dado que nesta fase ainda no se pro-

cedeu conceo de nenhum sistema solar trmico, pelo que a sua apre-sentao poderia causar confuso ao leitor.

3. Conceo dos sistemas solares para produo de AQS

Na presente seco apresenta-se o processo de dimensionamento do cir-cuito primrio do sistema solar trmico, bem como dos sistemas fotovol-

taicos considerados.A realizao dos dimensionamentos imprescindvel para a seleo dos

componentes necessrios para cada sistema e para permitir a realizaodas respetivas estimativas oramentais as quais se pretendem compararpara se determinar qual o sistema solar mais econmico para preparaode AQS para a habitao em apreo.

3.1. Sistema solar trmico3.1.1. Dimensionamento prvio dos componentes do circuito primrioDevido ao facto de o dimensionamento de um sistema solar trmico se afi-gurar como um processo iterativo, verifica-se a necessidade de se realizar

Figura 2 Introduo dos consumos tpicos de guas quentes no Editor de consumos de AQS

do software SolTerm.

Figura 3 Estimativa das necessidades de energia para produo de AQS realizada atravs

do software SolTerm.


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GUAS QUENTES SANITRIAS SOLAR TRMICO VERSUSSOL AR FOTOVOLTAICO

um dimensionamento prvio com dados pr-estabelecidos (os quais, habi-tualmente, se aproximam significativamente dos resultados finais) e de oti-mizar a soluo obtida, neste caso com recurso ao softwareSolTerm.

Em termos de dimensionamento, o SolTerm permite essencialmente oti-

mizar a quantidade de coletores solares e o volume do termoacumuladorem funo de vrios critrios, bem como a orientao dos coletores sola-res trmicos. Este ltimo parmetro no ser alvo de otimizao pelo factode se pretenderem assentar os coletores ou mdulos fotovoltaicos direta-mente sobre o telhado da habitao (a uma inclinao de 30).

S aps esse processo de otimizao se encontrar concludo que sepoder considerar que o dimensionamento preliminar (realizado uma ouvrias vezes at se obter a melhor soluo) se considerar como sendoo definitivo.

3.1.1.1. Coletores solaresUma das formas possveis para se proceder ao dimensionamento da reaabsorsora (processo iterativo2), atravs da atribuio de um valor para o

rendimento global do sistema solar trmico e outro para a frao solar pre-tendida para o sistema que, aps o processo de dimensionamento, se veri-ficar que no correspondero aos obtidos.

Neste exemplo assumiu-se um rendimento global de 35%, uma fraosolar de 75% e os valores da insolao anual (que, para o ngulo de inclina-o considerado, de I

anual= 1761 kWh/m2/ano) e necessidades de ener-

gia para AQS (W= 3035 kWh/ano) obtidos atravs do SolTerm, conformese podem verificar na Figura 3.

Nestes termos, estimativa preliminar da rea de captao dada por:

AW f

Im

3035 0,75

1781 0,353,65s

a nu al g lobal

min

2

dimensionamento =

=

=

No caso de se optar pela instalao de coletores solares planos, paraefeitos de certificao energtica ainda requerido pela Portaria n. 349-B/2013 que se disponha de 0,65 m2de rea de captao por ocupante con-vencional. Como neste exemplo se dispem de 4 ocupantes convencionais,a rea mnima de captao regulamentar dada por:

A n m0,65 0,65 4 2,60ocupantes convencionaismin _

2

regulamentar

= = =

O coletor solar trmico foi selecionado, de entre as marcas e modelosdisponveis na base de dados do SolTerm (a qual frequentemente atua-lizada [2]), de modo cumprir as restries dispostas na Portaria n. 349-B/2013, de 29 de novembro, designadamente:

Rendimento tico: 00,73;

Coeficiente primrio de perdas: a14,120 W/(m2. C);

Coeficiente secundrio de perdas: a20,014 W/(m2. C);

Coeficiente de modificao do ngulo transversal para 50 0,91.

A escolha recaiu sobre o coletor solar plano, sem concentradores, Baxi-roca Mediterrneo 250 [3], o qual dispe dos seguintes parmetros fsicos:

Rendimento tico: 0= 0,772;

Coeficiente primrio de perdas: a1= 3,818 W/(m2. C);

Coeficiente secundrio de perdas: a2= 0,014 W/(m2. C);

Coeficiente de modificao do ngulo transversal para 50 = 0,93;rea de abertura = 2,370 m2.

Verificada a conformidade dos parmetros anteriores com os requisitossolicitados pela Portaria n. 349-B/2013, a quantidade de coletores neces-srios para perfazerem a rea de captao mnima necessria dada por:

2 Pelo facto dos outros componentes no terem sido ainda dimensionados e de o respetivo dimen-

sionamento ser igualmente dependente da rea absorsora e quantidade de coletores a instalar.

Qtmin col

= arred.excessomax A

min dimensionamento;A

minregulamentar

Aab

= arred.excesso

max 3,68;2,60 2,37

=

= arred.excesso3,682,37

Qtmin col = arred.excesso 1,55( )= 2 coletores

Este ser o valor a testar inicialmente no software, podendo sofrer alte-raes aps o processo de otimizao a que for sujeito. Por fim, introduzi-ram-se os dados suprarreferidos no SolTerm da forma ilustrada na Figura 4.

Figura 4 Introduo dos dados relativos aos coletores solares trmicos no software SolTerm.

3.1.1.2. TermoacumuladorConforme referido em 2.2, prev-se que o consumo mdio de gua parapreparao de AQS seja de 160 litros por dia. Existem diversos critriospara proceder ao dimensionamento do termoacumulador, sendo prticacomum a seleo de um volume 1,5 vezes superior ao consumo mdiodirio.

Pelo facto de o cliente pretender instalar uma caldeira a pelletscomo sis-tema de apoio, adotou-se um termoacumulador dotado de dupla serpen-tina, BAXI AS 300-2E [3].

A serpentina inferior proceder permuta trmica do fluido proveniente

do circuito primrio do sistema solar trmico e a serpentina superior pro-ceder permuta trmica entre o fluido proveniente da caldeira e a guada armazenada no mesmo.

Conforme se apresenta na Figura 5introduziram-se as caratersticas tc-nicas do termoacumlador (apresentadas em [3]) no SolTerm.

Nas caratersticas tcnicas do termoacumulador selecionado (BAXI AS300-2E [3]), no indicado o respetivo valor do coeficiente de transmis-so trmica, sendo apenas indicado que o seu isolamento composto porespuma rgida de poliuretano injetado, livre de CFCs.

De acordo com a referncia [4], a condutividade trmica do Poliuretano de 0,02 W/m.K, pelo que, sabendo que o termoacumulador selecionadodispe de 0,05 m de espessura de isolamento, o respetivo coeficiente de

transmisso trmica de 0,02/0,05 = 0,4 W/m2.K. Esse dado foi igualmenteintroduzido no SolTerm, tal como se pode verificar na Figura 5.

3.1.1.3. Sistema de apoioNo softwareSolTerm, as informaes relativas ao sistema de apoio s soimportantes para a anlise econmica e de benefcios ambientais (reduo


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de emisses de gases com efeito de estufa fora do mbito do presenteestudo), e no para o desempenho do sistema solar trmico [1].

No presente sistema, o apoio ser realizado atravs de uma caldeiraa pellets. A seleo da caldeira disps no s em considerao a potn-cia necessria para produo de AQS, mas tambm para aquecimentoambiente, o qual realizado atravs de radiadores e se encontra fora dombito do presente estudo.

Verificou-se que a potncia total necessria para o efeito de cerca de30 kW, tendo-se adotado a caldeira com modelo PL35 da empresa Luso-queima [5], a qual dispe de 35 kW de potncia e um rendimento mdiode 85%. Estima-se que os pelletsa utilizar sero dotados de um Poder Calo-rfico Inferior (PCI) mdio de 17,64 MJ.

Na Figura 6apresenta-se a introduo dos referidos dados no SolTerm.

Figura 6 Introduo das caratersticas do sistema de apoio no software SolTerm.

3.1.1.4. TubagensPara se proceder circulao de fludo de transferncia trmica entre o ter-moacumulador e os coletores solares trmicos (circuito primrio), verifica--se a necessidade de se instalarem tubagens. Para proceder ao respetivo

dimensionamento necessrio, em primeiro lugar, conhecer o valor docaudal nominal recomendado nos coletores solares, existindo duas hip-

teses para o efeito:Utilizar o valor recomendado pelo fabricante neste caso, do cole-

tor Baxiroca Mediterrneo 250, cujo valor no apresentado no res-petivo catlogo [3];

Estimar o caudal recomendado atravs do conhecimento das proprie-dades fsicas do coletor adotado.

As propriedades fsicas que se devem dispor em considerao so o pro-duto entre o fator de eficincia na remoo do calor (F') e o coeficienteprimrio de perdas do coletor (a

1ou U

L), cujos valores tpicos se apresen-

tam na Tabela 1. ainda necessrio o conhecimento da Massa Volmica() e do Calor Especfico (C

p) do fluido anticongelante utilizado no circuito

primrio do sistema (neste caso, assumindo que se trata de uma misturade gua com Glicol), cujos valores em funo da sua concentrao volu-mtrica se apresentam na Tabela 2.

Tipo de coletor solar Valor de F' UL

Sem cobertura 20

No seletivo 8

Seletivo 5

Coletor Parablico Composto (CPC) 4

Tubo de vcuo 2

Tabela 1 Parmetros tpicos de F'UL para diversos tipos de coletores solares trmicos [6].

Concentrao volumtricade Glicol [%] Massa volmica () dasoluo [kg/m3]

Calor especfco (Cp) dasoluo a 60 C [J/kg.C]

5 1004 4156

10 1008 4126

15 1012 4099

20 1016 4072

25 1021 4026

30 1025 3976

35 1030 3908

40 1034 3840

50 1042 3074

Tabela 2Massa volmica do fludo anticongelante em funo da concentrao volumtrica

de Glicol na soluo [6].

Considerando que o fludo anticongelante dispor de uma concentra-o volumtrica de 25% de Glicol, que os 2 coletores solares adotadossero ligados em paralelo e a que a soma das suas reas de abertura de4,74 m2, atravs da aplicao da seguinte expresso possvel determinarum valor recomendado para o caudal em circulao nas tubagens do cir-cuito primrio:

QF U

C

A litros hora360000010 '

3600000 10 5

4026 1021

4, 74 207, 56 /L

P

col

=

=

=

Para proceder ao dimensionamento das tubagens do circuito primrio ainda necessrio definir a velocidade de circulao do fludo anticonge-lante atravs das mesmas. Vrios autores recomendam que a respetiva

Figura 5 Introduo das caratersticas do termoacumulador no software SolTerm.


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velocidade (vfludo1

) seja de cerca de 0,7 m/s, pelo que, atravs da aplica-o da seguinte expresso, se obtm o dimetro interno mnimo das tuba-gens a instalar:

D

Q

vm

4 1000

3600 4

207,56 1000

3600 0,70,01012

fluido

min

1

tubo1

=

=

=

O tubo adotado para o circuito primrio do sistema solar trmico serem cobre, com 15 mm de dimetro externo, 13mm de dimetro interno econdutividade trmica de 400 W/m.K. A tubagem ser envolta em 30mmde isolamento externo com uma condutividade trmica de 0,03 W/m.K,em conformidade com as indicaes apresentadas na seco 4.12.4. dareferncia [6].

Por fim, considerando que o circuito primrio dispor de um compri-mento total de 25 metros, dos quais 5 metros se encontraro no exteriordo edifcio, introduziram-se os referidos dados no SolTerm da forma apre-

sentada na Figura 7.

Figura 7 Introduo das caratersticas das tubagens do circuito primrio no software SolTerm.

3.1.1.5. Estimativa dos caudais e da velocidade de fludo anticongelanteno circuito primrioO SolTerm requer ainda a introduo de parmetros relativos ao caudale velocidade de circulao do fludo anticongelante, embora no os utilizepara efeitos de clculo da produo de energia para preparao de AQS[1]. Mediante os pressupostos de clculo considerados, os referidos par-metros foram determinados atravs da aplicao das seguintes expresses:

Velocidade resultante nas tubagens do circuito primrio:

vQ

Dm s

4 1000 3600 4 207, 56 / 1000 / 3600

0,0130,434

res

tubo in1_

2 2fluido1

( ) ( )=

=

=

Caudal resultante nas tubagens do circuito primrio:

Q vD

m hora4

3600 0,434 0,013

43600 0,208

resfludo

t ubo in

resultante

1_

2 2

3

1

=

=

=

Caudal volumtrico especfico (por m2de coletor solar) nas tubagensdo circuito primrio:

Q Q A litros hora m0, 208 1000 4, 74 43, 79esp abresultante

2

tubagem1

( )= = =

Por fim, introduziram-se os resultados anteriores no SolTerm da formase apresenta na Figura 8.

Conforme se pode verificar pela anlise da Figura 8, o nico valor quedifere dos anteriores a velocidade de circulao do fluido nas tubagensdo circuito primrio. Essa diferena deve-se ao facto de o softwarecon-siderar um valor diferente de caudal em circulao nos coletores sola-res relativamente ao que foi estimado em 3.1.1.4 para dimensionamentodas tubagens, desconhecendo-se qual o critrio utilizado pelo SolTermpara esse efeito.

3.1.2. Processo de otimizao do sistema e determinaoda contribuio do sistema solar para abastecimento das necessidadesenergticas para AQSAps a introduo de todas as informaes referidas nos pontos ante-

riores, o ltimo passo consiste na otimizao do sistema, tendo-se consi-derado apenas a hiptese de otimizar a quantidade de coletores solarestrmicos.

Na Figura 9apresenta-se a janela de visualizao que dispe dos resul-tados energticos finais, obtendo-se uma soluo com as seguintes cara-tersticas:

Coletores solares: 2 Baxiroca Mediterrneo 250;Termoacumulador: BAXI AS 300-E, de 300 litros;ngulo de inclinao dos coletores solares: 30;ngulo de azimute de azimute dos coletores solares: No foi alvo de

otimizao devido orientao da empena da cobertura do edifcio,encontrando-se orientados para sul geogrfico;

Frao solar : 79,9%;Rendimento global anual do sistema: 29%;Energia trmica anualmente desperdiada: 83 kWh;Energia trmica til fornecida pelos coletores solares para preparao

de AQS: 2424 kWh;Energia anualmente necessria para produo de AQS (Carga): 3035 kWh

(j apresentada na Figura 3);Energia anualmente necessria de fornecer pelo sistema de apoio: 611 kWh.

Figura 9 Resultados energticos do sistema solar trmico, obtidos atravs do software

SolTerm.

Figura 8 Introduo dos dados referentes ao caudal e velocidade do fludo do circuito prim-

rio no software SolTerm.


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Aps a realizao dos processos de otimizao as solues alternativasobtidas foram:

Reduzir o desperdcio de energia solar: Instalao de 1 coletor, resul-tando numa frao solar de 57,2% e num rendimento global do sis-

tema de 42%;Aumentar a frao solar:Instalao de 4 coletores, resultando numa

frao solar de 90,5% e num rendimento global do sistema de 16%.Reduzir o fornecimento de energia de apoio: Instalao de 6 coleto-

res, resultando numa frao solar de 92,4% e num rendimento globaldo sistema de 13%.

Perante os resultados obtidos, dada a reduo da frao solar obtidaaquando da instalao de apenas 1 coletor e a reduo do rendimento dosistema muito abaixo de 30% aquando da instalao de 3 ou mais coleto-res solares, optou-se pela instalao de 2 coletores em concordncia comos clculos preliminares anteriormente realizados.

3.1.3. Dimensionamento dos restantes componentesdo circuito primrioAps a realizao do dimensionamento dos diversos componentes descri-

tos em 3.1.1 e da realizao do processo de otimizao descrito em 3.1.2,procedeu-se ao dimensionamento dos componentes em falta, cujo pro-cesso se apresenta nas subseces seguintes.

3.1.3.1. Vlvula de segurana e Vaso de expansoPara acomodar as variaes de presso que vo ocorrendo no circuito pri-mrio do sistema solar trmico, verifica-se a necessidade de se proceder instalao de um vaso de expanso.

Quando tal deixa de ser possvel e a presso aumenta at a um valorque compromete a segurana do circuito, deve existir um equipamentoque permita a abertura do mesmo, de modo a que o fludo seja retiradodo sistema e a presso desa. O componente que ir dispor dessa funoser a vlvula de segurana.

A vlvula de segurana dever dispor de uma presso de abertura maisbaixa que a presso suportada pelo componente mais frgil existente nocircuito. Em sistemas de solares trmicos para pequenas residncias, pr-

tica comum a adoo de vlvulas de segurana de 5 bar. Quando sujeitaa essa presso, a gua dispe de uma temperatura de ebulio (t

ebul_1) de

151,8C, tal como se pode verificar na Tabela 3.

Presso do circuito primrio [bar] 1,013 1,5 2 3 4 5 6

Temperatura de ebulio da gua [C] 100 111,4 120,2 133,5 143,6 151,8 158,8

Tabela 3 Presses de ebulio da gua em funo da presso a que for sujeita.

medida que aumenta a concentrao do fluido anticongelante, a respe-tiva temperatura de ebulio tambm aumenta, mas de forma pouco apre-civel, pelo que a utilizao dos valores apresentados na Tabela 3para opresente efeito se torna perfeitamente aceitvel.

Considerando que o circuito primrio dispor de uma diferena de cotaentre os pontos mais alto e mais baixo de 6m (H

circ1), a presso de pr-

-carga que o vaso de expanso dever dispor dada por:

P

pr-carga1= H

circ1 0,1( )+1,5 Ppr-carga1= 6 0,1( )+1,5 Ppr-carga1= 2,1 bar

Considerando que a presso recomendada para o circuito solar trmicoquando se encontra frio e parado dever ser 1,5 vezes superior pressode pr-carga do vaso de expanso, o respetivo valor ser de 1,5 2,1 =3,15 bar.

O volume total de fluido armazenvel no circuito primrio dado pelasoma do volume armazenvel nos coletores solares pelo volume armazen-vel no permutador de calor (que neste caso se trata da serpentina inferiordo termoacumulador) e pelo volume armazenvel nas tubagens.

Segundo os dados apresentados nos respetivos catlogos de fabricantes,os coletores solares dispem de um volume de 1,7 litros/cada, a serpen-

tina inferior do termoacumulador dispe de um volume (Vperm_calor

) de 10,1litros [3]. Conforme se apresenta na Figura 7, as tubagens do circuito pri-mrio dispem de um comprimento total (L

circ1) de 25m e de uma capaci-

dade de armazenamento dada por:

VD

litros m4

1000 0,013

41000 0,133 /

linear tubos

tub o i n

_ 1

1_

2

= = =

Deste modo, o volume total de fludo armazenvel no circuito primrio(excluindo o vaso de expanso) dado por:

Vcirc1= Vlinear_tubos1 Lcirc1( )+ Vcoletor ncoletores( )+ Vperm_calor== 0,133 25( )+ 1,7 2( )+10,1=16,825 litros

Por fim, pelo facto de o fludo em circulao ser uma mistura de guacom glicol, o parmetro ka considerar na equao seguinte toma o valorde 0,09 (tomaria 0,07 no caso da gua), pelo que o volume mnimo neces-srio para o vaso de expanso ser de:

V

k tV

P P

P

P

P

V litros

2,5

100

1 1

1

1

1

0,09 151,8 2,5

10016,825

5 1 3,15 1

5 1

3,15 1

2,1 18,15

ebul

circ

valv seg nom

valv seg

nom

min

_1

1

_ 1 1

_ 1

1

pr-carga1

min

vaso

vaso

_exp1

_exp1

( )

( )

( )

( )

( )( )

( )

( ) ( )( )

( )( )

=

+ +

+

+

+

=

+ +

+

+

+

=

Deste modo, necessitar-se- de um vaso de expanso de 10 litros e umavlvula de segurana com uma presso de abertura de 5 bar para proteodo circuito primrio contra sobrepresses.

3.1.3.2. Bomba circuladora

Para forar a circulao de fluido entre o termoacumulador de AQS eos coletores solares trmicos, verifica-se a necessidade de se instalaruma bomba circuladora.

Para a realizao desse passo, necessita-se de se dispor do conheci-mento das perdas de carga introduzidas por cada componente do cir-cuito primrio (tubagens, vlvulas de corte e antirretorno, cur vas, ts,coletores solares e a serpentina do termoacumulador).

Para o presente caso, devido ao facto de o circuito no dispor dederivaes por onde habitualmente circule o fludo anticongelante,optou-se por assumir um valor de 3,5 m.c. a., o qual, ao ser somado altura do circuito primrio, resulta numa altura equivalente de eleva-o de 9,5 m.

Considerando que o caudal em circulao no circuito pr imrio (deter-minado em 3.1.1.5) de 0,208 m3/hora e que se pretender instalaruma bomba circuladora Wilo-Stratus, a determinao do modelo maisadequado realizada graficamente da forma apresentada na Figura 10.

Analisando o grfico da Figura 10, verifica-se que a bomba circuladoramais adequada para o presente caso a Wilo-Stratus 25(30,32,40,50)/1-10.


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3.1.3.3. Restantes componentes e esquema do circuito primrioPara garantir o correto funcionamento do circuito primrio do sistema solar

trmico, verifica-se a necessidade de se empregarem os restantes compo-nentes apresentados na Figura 11.

Figura 11 Esquema genrico dos componentes a empregar no circuito primrio, no termoa-

cumulador e na tomada de gua fria do circuito secundrio do sistema solar trmico.

De um modo geral, dever considerar-se que todos os componentes aempregar no circuito primrio do sistema solar trmico devero obedeceraos seguintes requisitos:

Dimetro do bocal de ligao tubagem do circuito primrio: Sem-

pre que possvel dever dispor do mesmo dimetro interior do queos tubos do circuito primrio (13 mm). Caso no tal no seja poss-vel, verifica-se a necessidade de se utilizarem acessrios de reduo;

Presso mxima de trabalho: Dever ser superior presso de aber-tura da vlvula de segurana, que no presente caso de 5 bar;

Temperatura mxima de trabalho:Dever ser superior prevista paraa zona do circuito onde ser instalada. Dever considerar-se comosendo no inferior a 90 C sada do bocal inferior do permutadorde calor inferior do termoacumulador e 200 C sada dos coleto-res solares.

3.2. Sistemas solares fotovoltaicosNa presente seco apresenta-se o processo de dimensionamento de 2 sis-

temas fotovoltaicos para abastecimento das necessidades de energia paraproduo de AQS para a habitao em apreo.Para que os pressupostos de comparao entre os sistemas fotovoltaicos

e o sistema solar trmico sejam os mais prximos possveis optou-se por,tanto quanto possvel, proceder ao dimensionamento dos sistemas foto-voltaicos de modo a que a frao solar se aproxime da resultante do sis-

tema solar trmico proposto.

3.2.1. Caraterizao da carga a abastecerO softwareSolTerm procede estimativa da quantidade final (til) deenergia entregue pelos coletores solares trmicos carga [1], descon-

tando-lhe as perdas nas tubagens e no termoacumulador. Para efeitos dedimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, verifica-se assim a necessi-dade de se considerar o fornecimento da energia que ser dissipada sob aforma de calor pelas paredes do termoacumulador de AQS.

Para que os pressupostos de clculo se mantenham coerentes com osconsiderados para o dimensionamento do sistema solar trmico, deverconsiderar-se que o termoacumulador se encontra numa diviso do edi-fcio sob uma temperatura ambiente mdia de 21 C, tal como assumidopelo softwareSolTerm [1].

Deste modo, considerando que o coeficiente de transmisso trmica(

termo) do termoacumulador de 0,4 W/m2.K (conforme j referido em

3.1.1.2), que a sua rea externa (Atermo

) de 4,03 m2(conforme j apre-sentada na Figura 5), que a gua de consumo armazenada se encontrarsob uma temperatura mdia anual (T

gua_termo) de 60C, que a tempera-

tura ambiente mdia anual da diviso do edifcio em que se este encon-trar (T

amb_termo) de 21C, a energia anual dissipada sob a forma de calor

dada por:

W A T T

W kWh ano

8760

1000

0, 4 4, 03 60 21 8760

1000550 /

anual perdas termo termo gua amb

anual perdas

_

_

termo termo termo

termo

( )

( )

=

=

A energia dissipada dever ser somada quantidade de energia neces-sria para preparao das AQS (que de 3035 kWh, tal como suprarre-ferido em 2.3), resultando num valor anual (W

anual) de, aproximadamente,

3585 kWh.Deste modo, a energia dissipada no termoacumulador corresponde a

cerca de 15,35% da energia que necessita de ser produzida pelo sistema foto-voltaico para igualar a frao solar do sistema solar trmico proposto em 3.1.

Para efeitos de dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, introdu-ziram-se os consumos de energia para AQS no componente Deferra-ble Load do softwareHomer, o qual requer os valores mdios dirios deenergia para produo de AQS em cada ms. Nesse sentido, verifica-se

Figura 10 Procedimento grfico para seleo de uma bomba circuladora Wilo-Stratus.

N. Componente

1 Coletores solares

2 Termoacumulador

3 Permutador de calor

4 Vaso de expanso

5 Bomba circuladora

6 Termstato diferencial

7 Purgador de ar

8 Sonda de temperatura

9 Sistema de aquecimento de apoio (caldeira)

10 Vlvula de segurana

11 Vlvula de reteno (antirretorno)

12 Vlvula de corte/passagem

13 Contador de gua

14 Esgoto sifonado

No assinalados Outro s compone ntes, tubagens, isolamento das tubagens, curvas, ts, etc


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a necessidade de se acrescentar a quantidade de energia perdida no ter-moacumulador aos valores mdios apresentados pelo softwareSolTerm.

Deste modo, considerando a que energia mdia necessria para prepa-rao de AQS para o ms de janeiro de 8,8 kWh/dia (conforme apre-

sentado na Figura 3) e que cerca 15,35% da energia se destina a cobrir asperdas no termoacumulador, temos que a carga trmica a considerar paracada dia esse ms de:

W kWh dia8,8

1 0,153510, 40 /

PV janeiro1_ ( )=

Por outro lado, o sistema fotovoltaico que procede produo de ener-gia para AQS atravs de bomba de calor necessitar de produzir cerca de1/3,63desse valor, correspondendo a cerca de 2,(8) kWh/dia.

Tabela 4 Cargas trmicas a considerar no dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos para

produo de AQS.

O raciocnio a considerar para os restantes meses anlogo ao ante-rior, apresentando-se na Tabela 4os respetivos resultados e na Figura 12a introduo da carga considerada para o sistema fotovoltaico que procede produo de energia para AQS atravs de resistncia de aquecimento.

3.2.2. Caraterizao do recurso solarDe modo a manter a coerncia entre o dimensionamento do sistema solar

trmico e dos sistemas fotovoltaicos, utilizaram-se os registos de insolaoe temperatura que constam da base de dados do SolTerm. Para aceder aesses valores, basta selecionar a opo Guardar Climatologia Mensal doseparador Clima e Local j apresentado na Figura 1.

3 Devido ao facto da bomba de calor selecionada (a qual se apresentaem 3.2.4.2) dispor de um Coeciente de Performance(COP) de 3,6.

Na Figura 13 apresenta-se a introduo desses dados no softwareHomer, juntamente com as coordenadas geogrficas do local.

3.2.3. Introduo dos dados relativos aos mdulos fotovoltaicos e res-petivas gamas de teste

No presente caso de estudo pretende-se determinar a quantidade demdulos fotovoltaicos cuja produo de energia eltrica se aproxime dafrao solar do sistema solar trmico proposto, afigurando-se como umprocesso no dependente de parmetros econmicos.

Deste modo, no se verifica a necessidade de se introduzirem os pre-os nem os custos de operao e manuteno do sistema fotovoltaico paraefeitos de dimensionamento, pelo que se optou pela no introduo des-ses valores no softwareHomer. Todavia, a escolha dos mdulos fotovol-

taicos a utilizar disps em considerao a respetiva relao preo/qualidade.Assim, aps um processo de pesquisa de solues e preos, optaram-se

pelos mdulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 de 250W, cujas caraters-

ticas tcnicas constam da referncia [7].Na Figura 14 apresenta-se a introduo das grandezas eltricas dos

mdulos fotovoltaicos adotados, bem como a opo de no se dispor desistema de seguimento solar. O ngulo de inclinao definido de 30 e ongulo de orientao azimutal de 0 relativamente ao sul geogrfico, emconcordncia com a disposio da cobertura do edifcio onde sero insta-lados os mdulos. Os restantes parmetros foram deixados com os res-petivos valores padro.

Para ambos os sistemas fotovoltaicos (para produo de AQS por resis-tncia ou por bomba de calor), o intervalo de teste definido foi de 0,25 a10 kW de 0,25 em 0,25 kW (ou seja, testando de 1 a 40 mdulos fotovol-

taicos em passos de 1 unidade).

3.2.4. Resultados obtidos do processo de dimensionamentodos sistemas fotovoltaicosDevido ao facto de se ter procedido ao ajuste dos consumos de energia tr-mica para que as perdas de calor no termoacumulador fossem igualmenteconsideradas, verifica-se a necessidade de se determinarem as quantidades de

Ms

Carga trmicasem considerao

das perdas notermoacumulador

[kWh/dia]

Carga a considerar

para o sistemafotovoltaico que

procede produode energia para AQSatravs de resistncia

de aquecimento[kWh/dia]

Carga a considerarpara o sistemafotovoltaico que

procede produode energia para AQSatravs de bomba de

calor [kWh/dia]

janeiro 8,8 10,40 2,89

fevereiro 8,7 10,28 2,86

maro 8,6 10,16 2,82

abril 8,4 9,92 2,76

maio 8,2 9,69 2,69

junho 8,0 9,45 2,63

julho 7,8 9,21 2,56

agosto 7,8 9,21 2,56

setembro 7,9 9,33 2,59

outubro 8,1 9,57 2,66

novembro 8,6 10,16 2,82

dezembro 8,8 10,40 2,89

Figura 12 Introduo da carga a considerar para o sistema fotovoltaico que procede pro-

duo de energia para AQS atravs de resistncia de aquecimento no software Homer.


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energia necessria de fornecer por cada um dos sistemas fotovoltaicos queigualem o valor da frao solar do sistema solar trmico dimensionado em 3.1.

Esse valor obtido atravs do produto da carga anual (Wanual

3585 kWh)

pelo fator solar obtido aquando do dimensionamento do sistema solar tr-mico (f

s79,9%, tal como referido em 3.1.2) para o sistema fotovoltaico

em que se proceder produo de energia para preparao de AQS atra-vs de resistncia de aquecimento, correspondendo a uma produo deenergia de aproximadamente 2865 kWh/ano.

No caso do sistema fotovoltaico em que se proceder produo deenergia para preparao de AQS atravs de bomba de calor, esse valorser de cerca de 1/3,6 do determinado anteriormente, correspondendoa cerca de 795 kWh/ano (pelo facto de o consumo anual previsto para abomba de calor ser de cerca de 996 kWh/ano).

3.2.4.1. Sistema fotovoltaico para produo de AQS atravsde resistncia de aquecimentoNo presente sistema fotovoltaico, mediante o cumprimento determinadosnveis de tenso e corrente mximos suportados pelo isolamento dos ter-minais da resistncia de aquecimento a alimentar, pode-se proceder ali-mentao da mesma atravs da ligao direta dos terminais (+) e (-) deuma stringde mdulos fotovoltaicos aos seus terminais.

Para evitar que em dias de muita insolao (e/ou de baixo consumo),a gua de consumo armazenada no termoacumulador aquea em dema-sia, dever instalar-se um termostato num dos condutores de alimentaoda resistncia.

O objetivo desse dispositivo o de proceder abertura de um contactoeltrico e consequente interrupo do circuito que alimenta a resistnciade aquecimento, evitando assim que a gua acumulada atinja temperaturasacima do limite mximo suportado pelo termoacumulador.

O referido termstato dever dispor de um determinado intervalo dehisterese (recomendando-se 5 C para o efeito), para evitar que a alimen-

tao resistncia seja consecutivamente estabelecida e interrompida compequenas oscilaes de temperatura em torno da mxima que se pretendeque no seja ultrapassada pela gua de consumo.

Deste modo, a configurao do sistema a simular no softwareHomera apresentada na Figura 15.

Figura 15 Diagrama do sistema fotovoltaico para produo de AQS atravs de resistncia

de aquecimento, em teste no software Homer.

Aps a realizao do processo de simulao verificou-se que com 8mdulos fotovoltaicos (2 kWp) o sistema produziria cerca de 2719 kWh/ano de energia, no sendo suficientes para assegurar a mesma frao solardo sistema solar trmico apresentado em 3.1.

Deste modo, ser necessria a instalao de 9 mdulos fotovoltaicos(2,25 kWp), os quais se preveem vir a produzir cerca de 3060 kWh/ano,correspondendo a uma frao solar de cerca de 85%, conforme se podeverificar na Figura 16.

Figura 13 Introduo dos dados relativos insolao e temperatura no software Homer.

Figura 14 Introduo dos dados relativos aos mdulos fotovoltaicos e respetivas quantida-

des a testar no software Homer.


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Figura 16 Resultados eltricos mensais e anuais do sistema fotovoltaico para produo

de AQS atravs de resistncia de aquecimento, obtidos atravs do software Homer.

Considerando que a tenso em circuito aberto de cada um dos mdu-los fotovoltaicos adotados de 37,6 V [7], a tenso mxima entre os termi-nais (+) e (-) da stringproposta de 5 37,6 = 338,4 V

DC. A intensidade

de corrente eltrica mxima que poder ser fornecida pela string corres-ponde corrente de curto-circuito dos mdulos fotovoltaicos (dado que seencontram todos eles ligados em srie), e cujo valor de 8,68 A.

Devido ao facto de que as resistncias de aquecimento com que tipi-camente so equipados os termoacumuladores de AQS so concebidaspara operar a 230 V

AC

(sendo indiferente que a sua alimentao seja reali-zada em corrente contnua ou alternada), verifica-se que o nvel de tensomximo da stringse encontra acima desse valor.

No presente caso, devido ao facto de apenas se necessitar de um per-mutador de calor4, o termoacumulador a adotar ser o BAXI AS 300-E(igual ao apresentado em 3.1.1.2, mas apenas dotado de uma nica serpen-

tina), o qual equipado com uma resistncia de 2,4 kW. A intensidade decorrente eltrica necessria para se fornecer 2,4 kW a 230 V de cerca de10,5 A, sendo superior ao valor da corrente de curto-circuito dos mdu-los fotovoltaicos propostos.

Nestes termos, verifica-se a conformidade ao nvel da corrente entre-gue resistncia de aquecimento por parte do sistema fotovoltaico pro-posto, mas na necessidade de preparar a resistncia de aquecimento parasuportar nveis de tenso caratersticos das stringsde mdulos fotovoltai-

cos (750 a 1000 V).

3.2.4.2. Sistema fotovoltaico para produo de AQS atravsde bomba de calorContrariamente ao sistema fotovoltaico proposto na subseco anterior, emque se utilizou um termoacumulador idntico ao do sistema solar trmicoproposto em 3.1 mas apenas dotado de um nica serpentina para permuta

trmica, no presente caso verifica-se a necessidade de se optar por um outrotipo de termoacumulador, o qual dispe de bomba de calor incorporada.

Para tal, selecionou-se o termoacumulador com bomba de calor KAY-SUN Compak KHP 35 300L, o qual dispe de um depsito com capacidadede 300 litros para armazenamento da gua de consumo e de uma bombade calor com uma potncia trmica de 3 kW e potncia eltrica de 833 W,correspondendo a um Coeficiente de Performance (COP) de 3,6 [8].

4 Devido ao facto de a funo desempenhada pelo sistema solar trmico ser assegurada pela

resistncia de aquecimento alimentada pelos mdulos fotovoltaicos.

Devido ao facto de a documentao tcnica do termoacumulador combomba de calor incorporada no dispor de informaes acerca do mate-rial e espessura de isolamento do depsito, assumiram-se que as perdas

trmicas so idnticas s determinadas em 3.2.1.

Existem diversas formas para alimentar a bomba de calor atravs deum sistema fotovoltaico, sendo necessrio realizar o abastecimento damesma em corrente alternada. Para tal, poder-se-ia optar por sistemasfotovoltaicos com as seguintes configuraes:

Sistema dotado de mdulos fotovoltaicos, baterias de acumulado-res, regulador de carregamento baterias e inversor (ou inversor comregulador de carregamento incorporado);

Sis tema dotado de mdulos fotovoltaicos e um inversor anlogo aosutilizados para abastecimento de bombas solares para elevao degua. Devido ao fac to de este tipo de equipamentos tipicamente dis-por de um Variador Eletrnico de Velocidade (VEV) incorporado,seria necessrio desativ-lo5(ou programa-lo para operar sob fre-quncia fixa de 50 Hz) e que o inversor apenas funcionasse acima de

um determinado nvel de irradincia tal que a potncia de sada fossesuperior potncia eltrica de entrada da bomba de calor6;Sistema dotado de mdulos fotovoltaicos e inversor do tipo Grid-Tie,

que injetasse a energia produzida na instalao eltrica da habitao.Nesse caso a bomba de calor seria abastecida a partir de uma tomadade corrente da instalao eltrica, sendo que o presente sistema se afi-guraria como uma Unidade de Produo para Autoconsumo (UPAC)enquadrada pelo Decreto-Lei n. 153/2014, de 20 de outubro.

Perante as hipteses disponveis, optou-se pela terceira opo devidoao facto de a pr imeira dispor da desvantagem de necessitar de baterias7e, tal como a segunda opo, de um inversor dedicado para o efeito. Asegunda opo tambm dispe da desvantagem de no serem encontra-das facilmente solues comerciais disponveis no mercado, pelo que ocontrolo do sistema se torna algo complexo e eventualmente dispendioso.

Por fim, na terceira opo no garantido que a energia para abas-tecimento da bomba de calor seja sempre gerada pelo s istema fotovol-taico, mas real izando um dimensionamento que resu lte numa produode energia eltrica prxima do seu consumo anual, o saldo global destasoluo acaba por equivaler ao caso em que o abas tecimento tenha sidorealizado pelo mesmo.

Por outro lado, esta soluo dispe ainda de 2 outras vantagens,nomeadamente:

Caso a gua acumulada no termoacumulador atinja a temperaturamxima de armazenamento, a energia possvel de gerar pelo sis-

tema fotovoltaico poder ser utilizada para abastecimento das res-tantes cargas (recetores eltr icos) da habitao e at vendida rede

pblica;Caso a instalao de consumo disponha de um contrato bi-horrio

para compra da eletricidade rede, o sistema fotovoltaico podergerar energia para abastecimento das cargas da habitao durante o

5 Exceto se o motor do compressor da bomba de calor possibilite um modo de operao sob

frequncia varivel, variando igualmente a respetiva potncia de sada.

6 Tal seria possvel atravs da programao do inversor para funcionar apenas se a tenso dis-

ponvel nas stringsde mdulos fotovoltaicos se encontrasse acima de um determinado valor. Em

alternativa, essa funcionalidade poderia ser assegurada atravs de um controlador externo que

interrompa ou estabelea os condutores que se situam no troo entre o gerador fotovoltaico e

o inversor, mediante a garantia de um determinado nvel de irr adincia que, ao ser multiplicado

pela rea total dos mdulos fotovoltaicos e da respetiva ecincia, garantisse que a potncia

de sada do gerador fotovoltaico dispusesse de um valor superior ao da potncia eltrica de

entrada bomba de calor.

7 As quais ainda so algo dispendiosas e pouco duradouras.


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perodo diurno (em que a tarifa de compra de eletricidade supe-rior), resultando em poupanas em termos de eletricidade adqui-rida rede, e de proceder ao abastecimento da bomba de calordurante o perodo noturno (em que a tarifa de compra de eletrici-

dade inferior).

Deste modo, a configurao do sistema a simular no softwareHomera apresentada na Figura 17.

Figura 17 Diagrama do sistema fotovoltaico para produo de AQS atravs de bomba de

calor, em teste no software Homer.

Conforme se pode verificar pela anlise da Figura 17, a carga encontra--se agora ligada a um barramento AC, tendo-se ainda considerado que amesma pode ser abastecida a partir da Rede Eltrica de Servio Pblico(RESP). Considerou-se ainda a instalao de um inversor da famlia SunnyBoy da SMA, cuja potncia a instalar depende do resultado do processode dimensionamento.

Neste estudo, o nico parmetro necessrio de introduzir no softwareHomer a eficincia do inversor, a qual se assumiu com sendo de 90%,encontrando-se abaixo do valor mais baixo de entre os modelos da fam-lia Sunny Boy da SMA.

Aps a realizao do processo de simulao verificou-se que com 2mdulos fotovoltaicos (0,5 kWp) o sistema produziria cerca de 679 kWh/ano de energia, no sendo suficientes para assegurar a mesma frao solardo sistema solar trmico apresentado em 3.1.

Para tal, verifica-se a necessidade de proceder instalao de 3 mdu-los fotovoltaicos (0,75 kWp), os quais se preveem vir a produzir cerca de1019 kWh/ano. Este valor corresponde a uma frao solar de cercade 102,5%, ou seja, a energia eltrica produzida pelo sistema fotovoltaico

superior ao consumo global previsto para a bomba de calor.No entanto, ao realizar a verificao da compatibilidade entre o gerador

fotovoltaico (composto por uma nica stringdotada de 3 mdulos ligadosem srie) e os modelos disponveis de inversores da famlia Sunny Boy daSMA, verificou-se que a apenas seria possvel compatibilizar as gamas de

tenses e correntes de sada da stringcom as gamas de tenses e corren-tes de entrada de 3 inversores SMA SB 240-10.

Pelo facto de se considerar que, em termos tcnicos, esse sistema no adequado para o efeito que se pretende, optou-se por uma soluo dotadade 4 mdulos fotovoltaicos e um inversor SMA SB 1300TL-10, cuja com-patibilidade se verificou atravs da plataforma Sunny Design Web8e se apre-senta na Figura 18.

Na presente soluo, o software Homer estima que sejam geradoscerca de 1389kWh de energia eltrica, correspondendo a uma frao solarde cerca de 140%, tal como se pode verificar na Figura 19.

8 www.sunnydesignweb.com

importante realar que o Homerassume que a energia que abastecea bomba de calor proveniente da rede e que a energia gerada pelo sis-

tema fotovoltaico ser toda vendida rede, tal como se pode verificar naFigura 19. Tal facto deve-se a no se configurado devidamente os custosde cada um dos sistemas nem da energia comprada e vendida rede, pelos

motivos que os suprarreferidos em 3.2.3.Alm disso, conforme se pode verificar nas Figuras 17 e 19, tambm no

se considerou a carga da habitao em apreo no presente estudo, peloque se dever considerar que os 40% de excedente de produo relativa-mente energia necessria para abastecimento da bomba de calor serodestinados primeiramente ao abastecimento da mesma, sendo que a per-centagem de energia efetivamente vendida rede ser inferior a esse valor.

4. Estimativas oramentais dos sistemas propostos

De modo a se poder realizar uma comparao entre os montantes de inves-timento necessrios para se proceder instalao de cada um dos sistemasdimensionados na seco anterior, verificou-se a necessidade de se elabora-rem as estimativas oramentais que se apresentam nas subsees seguintes.

Devido ao facto de se estimar que os custos de mo-de-obra para insta-lao de cada um dos sistemas no diferirem consideravelmente, optou-seapenas por se proceder comparao apenas entre os custos globais semIVA dos componentes necessrios para cada um dos sistemas.

Figura 18 Verificao da compatibilidade entre as gamas de tenses e de correntes eltri-

cas de sada do gerador fotovoltaico e de entrada do inversor.

Figura 19. Resultados eltricos mensais e anuais do sistema fotovoltaico para produo de

AQS atravs de bomba de calor, obtidos atravs do software Homer.


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4.1. Sistema solar trmicoAquando realizao do dimensionamento do sistema solar trmico apre-sentado ao longo da seco 3.1, verificou-se a necessidade de se proceder seleo de alguns dos elementos do sistema. Considerou-se o disposto

em 3.1.3.3 na seleo dos restantes componentes necessrios para estabe-lecer e proteger o circuito hidrulico, os quais se apresentam na Tabela 5e cujo custo global se estima que seja de cerca de 5100.

Tabela 5 Estimativa oramental dos componentes propostos para o sistema solar trmico.

4.2. Sistemas solares fotovoltaicosNas subseces seguintes apresentam-se as estimativas oramentais paraambos os sistemas fotovoltaicos propostos na subseco 3.2.

4.2.1. Para produo de AQS por resistnciaConsiderando os elementos j selecionados no processo de dimensiona-mento apresentado em 3.2.4.1, bem como dos restantes componentesnecessrios para proceder ao abastecimento e comando e proteo da res-petiva instalao eltrica, na Tabela 6apresentam-se os componentes pro-postos, cujo custo global se estima ser de cerca de 3500.

Tabela 6 Estimativa oramental dos componentes propostos para o sistema fotovoltaico

para produo de AQS atravs de resistncia de aquecimento.

Componente Marca / Modelo

Qt.[un]ou[m]

Custounitrio[/un]

Custo[/conj]

Coletores solar trmicosBaxi Mediterrneo250

2 727,00 1454,00

Estrutura de suportedos coletores solares cobertura do edifcio

Suportes SOL250 H

1 289,00 289,00

Termoacumulador BAXI AS 300-2E 1 1587,00 1587,00

Bomba circuladoraWilo-Stratos25(30,32,40,50)/1-10

1 697,00 697,00

Vaso de expanso de 10 litrosCalef Solar

N 10/2,51 60,05 60,05

Vlvula de segurana Calef 527 3/4 1 37,60 37,60

Vlvula misturadora termostticaCALEFFI - SOLAR252150 3/4(2,6)

1 90,82 90,82

Tubos (de cobre) Tubo de 15mm 25 7,50 187,50

Isolamento dos tubosArmaex HT

3015mm SWH25 12,10 302,50

Controlador trmico diferencial+ sondas de temperatura

Central deregulao CS1

1 131,00 131,00

Vlvulas de corteem esfera

BAXI Srie 850 8 16,10 128,80

Purgadores de ar Calef solar 250 1 23,03 23,03

Vlvulas de retenoBAXI - Vlvulareteno 3/4

2 6,10 12,20

Vlvulas de enchimentoautomtico

Calef 126 3/4 1 66,91 66,91

Filtros de gua (em Y) OFA EG.T0502 1 6,05 6,05

Fluido anticongelanteLquido solarFAC 10

4 6,20 24,80

TOTAL 5098,26


Qt.[un]ou[m]

Custounitrio[/un]

Custo[/conj]

Mdulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 5 165,97 829,85

Estrutura de apoiop/cobertura inclinada

Sunfer KVT 915 1 129,00 129,00

Cabo Solar FLEX - 14 mm Atron 40 1,73 69,20

Quadro EltricoHager VE118SN18 mod

1 64,71 64,71

Porta Fusveis Hager 1 11,76 11,76

Fusveis de 10 A tipo PV Hager 10 2 6,13 12,26

Descarregador desobretenses

Tipo2 p/1000VDCUp=4kV

1 250,03 250,03

Interruptor DC Hager 32 A Hager SB432PV 1 193,22 193,22

Termstato de comando daresistncia de aquecimento

TermstatoContacto 0/90 C

1 12,00 12,00

Termoacumulador BAXI AS 300-1E 1 1408,00 1 408,00

Vaso de expansode 10 litros Calef Solar N10/2,5 1 60,05 60,05


Vlvula misturadoratermosttica

CALEFFI - SOLAR252150 3/4(2,6)

1 90,82 90,82

Vlvulas de corte em esfera BAXI Srie 850 4 16,10 64,40

Resistncia 2,4 kW BaXI RC-31/25 1 221,00 221,00

TOTAL 3453,90


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4.2.2. Para produo de AQS por bomba de calorConsiderando os elementos j selecionados no processo de dimensiona-mento apresentado em 3.2.4.2, bem como dos restantes componentesnecessrios para proceder ao abastecimento e comando, proteo e con-

dicionamento da energia gerada na respetiva instalao eltrica, na Tabela 7apresentam-se os componentes propostos, cujo custo global se estima serde cerca de 4000.

Tabela 7 Estimativa oramental dos componentes propostos para o sistema fotovoltaico

para produo de AQS atravs de Bomba de Calor.

Conforme se pode verificar pela anlise da Tabela 7, no se considerouo custo do Quadro AC o qual se assume ser o mesmo da instalao el-

trica da habitao, bem como do contador bidirecional e da cablagem paraalimentao da bomba de calor do termoacumulador (a qual se encontraincluda no kit).

Considerando ainda o custo de licenciamento da UPAC com injeo depotncia na rede, o qual, segundo o artigo 19. da Portaria n. 14/2015, de23 de janeiro, toma o valor de 30 para potncias inferiores a 1,5 kW, omontante global de investimento toma um valor de cerca de 4050.

5. Concluses

Nos ltimos anos tem-se assistido a uma tendncia mais acentuada nodecrscimo dos custos dos componentes para sistemas fotovoltaicos doque a dos componentes para sistemas solares trmicos.

No sentido de avaliar se ainda se justifica o atual paradigma em que pouco habitual a utilizao de sistemas fotovoltaicos para abastecer neces-sidades energticas para produo de AQS, procedeu-se ao dimensiona-mento de um sistema solar trmico e de 2 sistemas fotovoltaicos, para umedifcio do tipo T3, e compararam-se os respetivos custos iniciais.

O primeiro passo consistiu na averiguao dos consumos nominais deAQS, tendo-se observado as disposies do SCE. Na presena desses valo-res, utilizando como base os registos da temperatura mdia mensal da guada rede que constam da base de dados do softwareSolTerm, procedeu--se estimativa das necessidades energticas para elevar a temperatura damesma at 60 C.

Procedeu-se ao dimensionamento e otimizao do sistema solar trmicoatravs do mtodo apresentado ao longo da seco 3.1 e do softwareSol-

Term, tendo-se obtido uma soluo composta por 2 coletores solares tr-micos Baxiroca Mediterrneo 250, um termoacumulador BAXI AS 300-2Ee os restantes componentes apresentados na Tabela 5.

Para realizar o dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, verificou-sea necessidade de se considerarem as perdas de energia do termoacumu-lador, pelo facto de o algoritmo de clculo do SolTerm as descontar daestimativa de energia produzida pelos coletores solares.

Por forma a manter a coerncia entre os pressupostos de dimensiona-mento do sistema solar trmico e dos sistemas fotovoltaicos, optou-se porrealizar o dimensionamento dos ltimos com base nos mesmos dados deinsolao e de modo a se obter uma frao solar prxima da resultanteno primeiro sistema. No entanto, em ambos os sistemas fotovoltaicos, asoluo proposta dispe de uma frao solar superior do sistema solar

trmico.No caso do primeiro sistema fotovoltaico proposto, a quantidade de

energia resultante corresponde que dever ser entregue resistncia deaquecimento, enquanto no segundo sistema, devido utilizao de umabomba de calor, a energia eltrica necessria obtida pelo quociente entreos valores obtidos para o primeiro sistema e o COP da bomba de calor.Tal facto resulta na necessidade de se produzir uma quantidade inferior deenergia eltrica, quando comparada com a do primeiro sistema.

Devido ao facto de a resistncia de aquecimento poder operar em cor-rente contnua ou alternada, possvel ligar diretamente os terminais dogerador fotovoltaico mesma, juntamente com os rgos de proteo dainstalao eltrica e os elementos de comando que garantem que a tem-peratura da gua armazenada no termoacumulador no ultrapasse o valormximo suportado pelo mesmo.

O gerador fotovoltaico para abastecimento da resistncia de aqueci-mento dispe de um nvel de tenso em circuito aberto que excede a

tenso nominal da mesma, pelo que seria de considerar que os fabrican-tes preparassem as resistncias para serem abastecidas atravs de nveisde tenso caratersticos das stringsde mdulos fotovoltaicos (at 750 ou1000 V).

Contrariamente ao que se verifica na alimentao da resistncia deaquecimento, para proceder alimentao da bomba de calor neces-srio garantir que esta seja sempre abastecida sua potncia nominal,existindo vrias hipteses para que tal seja possvel tais como as refe-ridas em 3.2.4.2.

Por questes tcnico-econmicas, optou-se por conceber um sistemafotovoltaico com ligao instalao eltrica da habitao e, por conse-guinte, RESP. Embora no seja garantido que a energia consumida pelabomba de calor esteja a ser gerada no mesmo instante pelo gerador foto-voltaico, o respetivo dimensionamento foi realizado de modo a que a ener-gia anual produzida pelo sistema fotovoltaico seja suficiente para cobrir afrao renovvel pretendida para a produo de AQS.


Qt[un]ou[m]

Custounitrio[/un]

Custo[/conj]

Mdulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 4 165,97 663,88

InversorSMA Sunny Boy 1300TL 10

1 706,29 706,29

Bomba de calor +Termoacumulador

KAYSUN CompakKHP 35 300L

1 1674,80 1674,80

Estrutura de apoiop/ cobertura inclinada

Sunfer KVT 915 1 129,00 129,00

Cabo Solar FLEX 14 mm

Atron 40 1,73 69,20

Cabo XV 3G4mm 10 1,37 13,70

Quadro Eltrico DCHager VE118SN 18mod.

1 64,71 64,71

Porta Fusveis Hager 1 11,76 11,76

Fusveis de 10 A tipo PV Hager 10 2 6,13 12,26

Descarregador deSobretenses

Tipo2 p/1000VDCUp=4kV

1 250,03 250,03

Interruptor DC Hager32 A

Hager SB432PV 1 193,22 193,22

Vaso de expansosanitrio

Vasoex/S 8 litros 1 59,00 59,00


Vlvula misturadoratermoesttica

CALEFFI - SOLAR252150 3/4(2,6)

1 90,82 90,82

Vlvulas de corteem esfera

Baxi Srie 850 2 16,10 32,20

TOTAL 4 008,47


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projetos renovveis

de salientar que se poderia igualmente ter optado pela ligao da resis-tncia de aquecimento instalao eltrica da instalao e de se ter proce-dido ao dimensionamento de um sistema fotovoltaico com ligao RESP.No entanto, por questes econmicas e pelo facto de essa ser a configu-

rao mais adequada ao segundo caso, optou-se por no se realizar nes-ses termos.

Considerando que o custo do sistema solar trmico proposto superiorao de ambos os sistemas fotovoltaicos, verifica-se por si s que os sistemasfotovoltaicos se afiguram com opes economicamente mais favorveis.

Por outro lado, devido ao facto de este tipo de sistemas se poderemenquadrar como UPACs segundo o regime conferido pelo Decreto-Lei n.153/2014, de 20 de outubro, quando a gua armazenada no termoacu-mulador atinge o respetivo valor mximo, o excedente de energia geradapelos mesmos poder igualmente vir a ser utilizado para abastecimento dasrestantes cargas eltricas de uma instalao, enquanto no caso dos siste-mas solares trmicos, tal no possvel.

Nestes termos, aquando da seleo entre sistemas solares trmicos e

fotovoltaicos, poder-se- considerar a instalao de uma UPAC que gerara energia necessria para abastecimento no s dos consumos eltricos deuma instalao, mas tambm das respetivas necessidades energticas parapreparao de AQS, contribuindo assim no s para se obter uma econo-mia de custos quando comparada com a aquisio de um sistema solar tr-mico, mas tambm para viabilizar o prprio investimento na UPAC.

Referncias bibliogrcas

[1] R. Aguiar e R. E. Coelho, Manual SolTerm, verso 1.11 (relativo verso 5.1.4 do software),

Laboratrio Nacional de Energia e Geologia, I.P., 2012;

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paginas/37, acedido em 12 de maro de 2015;

[3] Catlogo general de calefaccion BAXI, 2014;

[4] Thermal Conductivity of common materials, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/

thrcn.html, acedido em 12 de maro de 2015;

[5] Lusoqueima - Caldeira a Pellets, www.lusoqueima.pt/pt/products/detail/19, acedido em 13 de

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[6] E. P. Lebea e J. C. Costa, Curso de Instalador de Equipamentos Solares Trmicos, INETI, 2006;

[7] SHARP Polycrystalline silicon photovoltaic modules, http://eng.sfe-solar.com/wp-content/

uploads/2012/05/SunFields_SHARP_Datasheet_ND-R-230-235-240-245-250A5_EN.pdf,

acedido em 13 de maro de 2015;

[8] Kaysun Bombas de Calor (KHP - ACS), http://kaysun.es/es/productos/detalle/compak-khp-35-

300-acs1, acedido em 15 de maro de 2015.

Apresentao dos autores

Edgar Filipe da Silva [email protected]

licenciado em Engenharia Eletrotcnica Ramo de Energia e Automao e mestre em Engenharia Eletrotcnica Siste-mas de Automao, pela Escola Superior de Tecnologia e Gesto do Instituto Politcnico de Leiria, obtendo respetivos grausem 2009 e 2011. Concluiu em janeiro de 2013 o Curso de Doutoramento (no conferente de grau) em Engenharia Eletro-

tcnica e de Computadores pela Faculdade de Engenharia da Universidade de Porto.Foi projetista de instalaes eltricas em 2010 e bolseiro de investigao do INESC Coimbra em 2011. docente do Curso de Especializao Tecnolgica de Energias Renovveis do Instituto Politcnico de Leiria desde janeiro de 2011.

Nuno Pedro Ferreira de Carvalho [email protected]

licenciado pr-Bolonha em Engenharia Eletrotcnica Ramo de Energia e Automao e mestre em Energia e Ambiente,pela Escola Superior de Tecnologia e Gesto do Instituto Politcnico de Leiria, obtendo os respetivos graus em 2003 e 2010.Iniciou a sua atividade profissional em 1999 no setor cermico, onde desempenhou funes de responsvel de manuteno,gestor de energia e diretor de produo. consultor energtico e ambiental de empresas industriais e tcnico reconhecido do Sistema de Gesto de Consumos Inten-sivos na Indstria (SGCIE) desde 2011. formador nas reas da eletrotecnia, eficincia energtica e energias renovveis e docente do Curso de Especializao Tec-nolgica de Energias Renovveis do Instituto Politcnico de Leiria desde 2011.

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